小功率短距離無線電能傳輸技術研究

陳煌林

(漳州職業技術學院，福建漳州 363000)

隨著電子工藝技術的提高，電子產品的智能化、微型化成為了趨勢。由于傳統電能傳輸方式存在導線占用空間、導線易老化等一列問題，在電子設備結構日益集成化的今天，無線電能傳輸這種新型的技術越來越受到國內外相關領域研究人員的關注[1]。

目前主流的無線電能傳輸技術有三種形式：一是電磁感應式無線電能傳輸方式。該方式基于電磁感應原理實現電能無線傳輸。該傳輸方式具有傳輸效率高的優點，但其傳輸距離很近，適合短距離傳輸電能；二是磁耦合諧振式無線電能傳輸方式，該方式利用電路中電感、電容諧振原理實現電能無線傳輸，該傳輸方式具有傳輸功率大、傳輸距離較遠的優點，但也存在由于頻率分裂傳輸系統容易失諧，導致傳輸效率較低等問題；三是微波無線電能傳輸方式，該傳輸方式利用無線電波收發原理實現電能無線傳輸，該傳輸方式具有傳輸距離遠、功率較大的優點，但其效率極低，而且大功率傳輸時會對人體造成傷害，目前主要應用在空間太陽能電站的無線電能傳輸。這三種無線電能傳輸方式各有其應用局限性，如何提高傳輸效率是該領域的難點也是亟待解決的技術瓶頸問題，一直制約著無線電能傳輸技術的應用和發展[2-4]。

為了獲得較高的傳輸效率，本文針對小功率短距離的無線電能傳輸技術進行研究，并制作了試驗系統進行驗證[5-8]，該系統采用電磁感應無線電能傳輸方式進行設計。

1 無線電能傳輸系統設計

圖1 電磁感應無線電能傳輸的等效電路

電磁感應式無線電能傳輸是指以電磁感應耦合方式來傳輸電能，該系統包含兩個互感線圈，其中發射線圈與電源相連接，接收線圈與負載相連接。電流通過發射線圈產生磁場，對附近的接收線圈產生感應電動勢，進而產生電流，實現電能無線傳輸。電磁感應無線電能傳輸的等效電路模型如圖1所示，該電路模型包含兩個閉合回路，左側為發射端回路，右側為接收端回路。

當左側發射端回路接通交流電源Us后，將通過線圈L1產生向外的磁場。根據電磁感應原理，線圈L2產生電磁感應，進而在右側接收端回路的負載RL上產生感應電動勢。在兩回路中加入補償電容C1、C2可減少漏感所導致的功率損失，提高功率輸出和能量傳輸效率[9-16]。根據圖1所示初級線圈和次級線圈的阻抗Z1、Z2分別為：

(1)

由基爾霍夫定律可得方程：

(2)

由(2)式可得：

(3)

負載輸出功率PL和電壓源輸出功率Pout分別為：

(4)

傳輸效率可表示為負載輸出功率PL和電源輸出功率Pout的比值：

(5)

(6)

因此,結合式(5)和(6)可得：

(7)

其中，M為發送圈和接收線圈之間互感[16]：

(8)

其中，n1、n2分別為發射線圈和接收線圈的匝數；r1、r2分別為發射線圈和接收線圈的半徑；d為兩線圈的距離。結合式(7)和(8)可知，該等效電路的傳輸效率與互感系數、電感頻率、兩端內阻、負載電阻有關，在頻率、電阻不變的情況下，線圈間的距離越近，互感越大，傳輸效率越低。電磁感應電能無線傳輸的效率與很多因素有關，其中線圈負責轉化電流能量為磁能,最后通過空間傳輸，是傳輸效率的重要影響因素。為此，有必要對線圈設計進行分析。

2 線圈的設計

電磁感應式無線電能傳輸技術利用發射線圈和接收線圈之間的電磁感應傳輸電能。一般情況下，發射線圈與接收線圈圈尺寸接近，收發兩線圈之間的距離小于線圈的直徑，能夠得到較高的傳輸效率。收發兩線圈電磁感應示意圖(源自WPC官網)如圖2所示。

圖2 電磁感應示意圖

假設通過發射線圈上的電流為Imsinωt。通過線圈互感和電動勢關系，接收線圈所產生的感應電動勢為：

(9)

從式(8)和(9)可知，感應電動勢與兩線圈的匝數、兩線圈互感M成正比，與兩線圈的距離成反比。在電能無線傳輸過程中，受系統本身設計的影響，存在著能量損耗，且能量損耗的大小與線圈耦合系數K、線圈品質因子Q這兩個參數成反比[17-18]。

線圈耦合系數K為：

(10)

耦合系數K表示兩線圈的磁耦合程度，其中，1代表兩線圈完全耦合，0代表兩線圈沒有任何耦合。耦合系數K與兩線圈的間距、尺寸比例、線圈間的角度有關。

線圈品質因子Q為：

(11)

Q因子與線圈繞線方式、形狀、匝數以及線圈所用的材質有關，其中，Rcoil為線圈內阻。Q因子理論上值是一個從0到無限值的數，但在實際應用中，Q因子達到100己經是一個較好的數值了。

因此，同種材料制作的線圈，線圈間距越小、線圈匝數越多、半徑越大、線圈內阻越小，傳輸損耗越小，傳輸效率越高。

3 實驗研究與運行

3.1 系統總體構成

本文采用電磁感應的原理設計一種可以對放置在無線充電底座表面的手機進行無線充電的設備，受手機的尺寸與美觀要求的限定，線圈不可能太大，系統要達到較高的傳輸效率，這就在一定程度上要求傳輸距離不能太大，而且手機充電只有5W左右，屬于小功率。基于此,小功率短距離無線電能傳輸技術是現階段手機無線充電可應用的最合理技術，該技術不僅滿足充電功率，保證充電效率，同時解決了空間錯位、障礙物對傳輸功率的影響。利用電磁感應方式實現手機的無線充電，系統總體構成如圖3所示。

圖3 手機無線充電器總體設計

如圖3所示，該系統主要由發射端和接收端兩個大部分組成，發射端由交流電源、整流濾波電路、高頻逆變電路、發射線圈等部分組成；接收端由接收線圈、整流變換電路、檢測報警電路等部分組成。通過電磁感應，在接收線圈產生感應電流，再經過整流濾波為負載提供直流電壓，最終實現手機無線充電。檢測報警電路檢測電壓、電流和溫度等過程參數，如果檢測到充電器過熱或手機電池已經充滿等情況蜂鳴器立即報警，提醒應立即停止充電[19]。

3.2 運行測試

使用數字萬用表測量發射、接收兩端電壓和電流，據此求得發射端的輸入功率以及接收端的輸出功率，進而得到了手機的充電效率。為了進一步測試線圈距離與接收端輸出電壓、充電效率之間的關系，在保持發射線圈與接收線圈平行同軸的基礎上，不斷改變兩線圈之間距離，測量收發兩端的電壓和電流。如圖4所示。

圖4 負載電壓、充電效率隨線圈距離變化曲線

由圖4可知，負載電壓與充電效率隨著兩線圈的距離變大而減小。圖4(a)表明本系統的較理想的線圈距離是7 mm左右，圖4(b)表明在兩線圈距離7 mm的情況下本系統可獲得較高的充電效率，基本能夠穩定在67.3%，電池容量3000 mAh的Android手機平均用時145分鐘左右充滿，充電效率比有線充電低。如果線圈設計得更優化,減小接收端的溫升的影響，本系統充電效率還會有顯著的提高，這將是本課題組接下來的研究重點。

4 結論與展望

基于電磁感應的小功率短距離無線電能傳輸技術具有傳輸效率較高、結構簡單、易于實現的優點。已有一些相關產品面向市場，技術較為成熟。本文在探討無線電能傳輸的基本原理以及線圈設計的基礎上，針對小功率短距離的無線電能傳輸技術進行研究，并論述了線圈距離對充電效率的影響。為未來無線電能傳輸技術向高功率、遠距離、高效率的研究提供一些參考和借鑒。

但是，溫升會導致熱損耗且存在火災危險，線圈分離造成的漏感會導致傳輸效率較低，這就要求我們將接下來的工作重點放在如何有效地減小損耗、降低溫升的研究上。