可植入式磁耦合諧振無線電能傳輸系統研究

劉新竹 李超

摘要：針對目前越來越多電子產品的功耗與體積在不斷減小，可植入器件電池的續航問題始終未得到有效的解決。本文主要研究小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統，本著簡單、高效、低成本的原則，實現了一種簡易的小功率強磁耦合諧振式無線電能傳輸系統。通過原理分析與實驗相結合，研究影響無線能量傳輸系統的傳輸距離和效率的諸多因素。

關鍵詞：小型磁耦合諧振;無線電能傳輸;傳輸距離;效率

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0210-02

1 概述

隨著科技的進步，越來越多電子產品的功耗與體積在隨之不斷減小，但能量供應問題即電池的續航能力達不到要求，制約了小功率便攜式設備的發展，尤其是可植入器件未得能到廣泛應用。針對以上提出的問題，本文主要研究小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統，系統由大規模集成電路組成，使植入器件體積盡可能小，通過原理分析與實驗相結合，本著簡單、高效、低成本的原則，實現了一種功率小、制作簡單的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，同時進一步研究傳輸距離和效率等諸多因素對無線能量傳輸系統的影響情況。

2 諧振耦合無線電能傳輸的工作原理

諧振耦合無線電能傳輸的工作原理如圖1所示，從電網得電后，經過整流電路將交流電變成直流電，后接上濾波電路濾去整流輸出電壓中的紋波，再經過調壓電路、最后經過逆變電路產生所需要頻率為交流電。無線電能傳輸系統最核心的部分是磁耦合部分，能量的傳輸通過磁耦合進行，使其周圍產生交變場主要是由于相同諧振頻率的振蕩器，當正弦電流通入發射線圈，與此同時向電容充電：接收線圈感應到磁場后，其射頻功率經射頻，再通過整流電路進行直流變換，其后經過濾波電路轉變成負載所需要的直流功率。當通入電路的正弦電流的頻率與振蕩電路固有諧振頻率相等時，此時產生的磁場能量能達到最大值;當改變發射線圈電流方向時，隨之改變的有是交變磁場方向，此時接收線圈感生電動勢為最大;接收線圈的電流被逐漸放大，直到接收線圈的電磁能達到最大。若此時系統接有負載時，發射線圈就會向接收線圈傳遞能量，這就是無線能量傳輸的原理。

3 電能傳輸系統的主要模塊電路設計

小功率的磁耦合諧振式無線供電系統，由發射電路和接收電路兩部分組成。其中發射電路主要包括整流電路、高頻逆變電路、發射線圈。接收電路主要包括線圈、射頻到直流變換電路、低通濾波電路和負載組成等。為使電能傳輸的各種參數達到最優化及系統保持較高的傳輸效率選取合適的器件類型和參數及電路模型是關鍵部分。

3.1 振蕩模塊的設計

本模塊利用邏輯非門構成RC遲滯多諧振蕩器配以快速比較器調節輸出，實現頻率、占空比的雙線可調，RC的振蕩頻率為fi=1/2πRC，如圖2所示，可以通過調節R11的大小來調整振蕩模塊的頻率;在該系統中最重要的是諧振頻率的調節，由諧振電路的固有頻率的計算公式f2=1/2π√LC可知，頻率與L和C的取值有關，但是L的值也不宜過大，當C-定時，大電感線圈在近距離可以傳輸較大能量，但由于固有頻率較低，所以在遠距離傳輸時傳輸的能量就會很小，當L-定時，電容越大，線圈的固有頻率越小，在相同的能量下，它的傳輸距離越遠，所以電容電感的增大是一對矛盾值，兩者皆不可取太大，亦不可取太小。

實物如圖2所示，圖中的C1I和R7構成遲滯多諧振蕩器，它控制著發射端的諧振頻率，改變其振蕩頻率可以通過調節R7的阻值大小;LM393AN雙限比較器與其輸出端相接，滑動變阻器的一端接LM393AN雙限比較器的參考電壓，改變參考電壓的大小可以通過調節滑動變阻器的大小，從而實現輸出波形的改變.即其輸出的占空比可以得到調節。由此可知，當調節R3和R6的值即可改變占空比的大小。當U2>U3時或U6>U5時，則輸出低電平，當U2

3.2 驅動模塊的設計

MOSFET的驅動芯片的選取原則是驅動電流較大，工作頻率要高，在本設計中采用24路非門陣列輸出，驅動能力強，輸出驅動信號功率較一般驅動電路大。

其實物圖如圖3所示，4個SN74HC04N可構成非門陣列，相當于三極管的功能，可以增強驅動能力，而兩個MOS管CSD19535KCS相當于開關，驅動控制由開關Q1、Q2半橋驅動芯片電路來實現。當開關Q1處于導通狀態時，Q2處于關斷狀態時，發射諧振線圈上的電壓為0;當開關Q2處于導通狀態時，Q1處于關斷狀態時，發射諧振線圈上產生上而下的電壓Vin，個交流電產生在發射線圈的電感上，并且接收端發射能量也是通過線圈來實現。

3.3 耦合模塊的設計

無線電能傳輸的核心為無線輸電線圈，較高的無線電能的傳輸效率、功率和傳輸距離與設計合適的線圈有很大的關系。這部分原件主要的作用是將電能轉化為交變磁場能量，再將空間中交變磁場能量變換成電能。

設計時可通過Aansoft Maxwell和HFSS軟件進行3D電磁場有限元分析的仿真軟件，并且利用可以更加精確而便捷地確定對應的參數，主要通過分析、計算線圈的渦流效應、集膚效應和寄生參數。Maxwell有限元仿真軟件計算流程為：（1）求解器類型選擇;（2）建立模型;（3）設置材料屬性;（4）設置激勵源和邊界條件;（5）白適應網格剖分（6）有限元求解;（7）后處理。

可通過提高兩個線圈的耦合系數來有效地提高無線輸電傳輸效率?？紤]工作頻率在MHZ級別的線圈，線圈白諧振頻率的準確計算產生影響的因素有：趨膚效應、鄰近效應等。本項目中諧振線圈采用平面圓環型。通過高頻仿真軟件，計算線圈的諧振頻率，起始線圈的半徑、線圈的匝數、每圈半徑增量等變量，在仿真計算時，外實現對線圈進行優化設計，可通過設置各參數的變化范圍，兩個線圈的耦合系數即可被確定。從而可獲得最佳的參數，并且大大降低設計成本和周期。

經過各種仿真參數的比較，最后確定仿真參數并進行實物制作，耦合模塊的實物如圖4所示。裝置中的耦合線圈為空心線圈，線圈寬度為3 mm;線圈間距1 mm;線圈內徑長度65mm;正反線圈間距為2.5mm。發射線圈與接收線圈的參數一致，調諧電路是用來實現發射端與接收端線圈耦合匹配，在發射端和接收端均采用并聯諧振回路。

3.4 高頻濾波模塊的設計

通過磁諧振的耦合，次級線圈接收到的波形是正弦波。如圖5所示為高頻濾波電路，V1為單相橋式整流電路，直流變換電路的輸出電壓，經橋式射頻到直流變換電路輸出的是較大脈動電壓直流電，為給負載設備提供需平穩的直流需經過低通濾波器。

在接收系統中，功率相對比較大的直流變換電路，相對于無線電磁信號功率高很多，二極管承受會很大的功率。當Cj和r很小時可使二極管的T作頻率足夠高。

采用T型低通濾波器是為了使濾波電路輸出波形效果更好。輸出電壓經過T型低通濾波器后變得更加平穩，可以通過微調減小電容C值來消除平穩電壓前沖擊電壓。

4 測試數據記錄及結果分析

4.1 效率T1測試

將100R/150W的磁盤變阻器串接到接收端輸出回路，保持發射線圈與接收線圈的間距X=10cm、以及輸入電壓U1=15V，在接收端串聯一電流表，并計算出此時的傳輸效率η=U2I2/U1I2Ux100%，實驗測出，I1=0.9A，U1=7.2V，故傳輸效率為55.8%。

4.2 距離X的測試

接收端輸出回路接一只3W的燈泡，在基礎條件：保證LED燈不熄滅，輸入電壓保持在15V，使輸入直流II不大于3A，測出發射線圈與接收線圈的最大間距XMAX，由曲線圖可以看出，隨著距離的傳輸.傳輸效率呈遞減的趨勢。

4.3 線圈空間位置對系統傳輸的影響

研究線圈空間位置對系統傳輸的影響，當兩線圈同軸線時，輸出功率最大可達5W，系統傳輸效率最高可達55.8%。當將兩線圈的偏移距離增大時，系統的傳輸效率和輸出功率降低。接近線圈半徑的一半時，傳輸效率和輸出功率下降約為10%，輸出功率降低10%。偏移距離較短時對系統傳輸影響較小。

測試研究表明，當線圈發生偏移或偏轉時，系統互感參數減小，系統傳輸效率降低。當線圈偏移距離小于半徑一半大小時，系統傳輸效率與功率變化幅度較小。

5 結束語

可植入式磁耦合諧振無線電能傳輸系統主要研究使體積盡可能小，傳輸效率盡可能高。設計主要包括電路拓撲分析、器件選取等，利用3D電磁場仿真軟件優化設計線圈的結構和參數，并在此基礎上搭建實驗平臺，搭建的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，點亮了距離發射線圈90cm的3W燈泡，傳輸效率為55.8%，并研究了傳輸效率隨著傳輸距離的變化所受的影響情況;及系統傳輸效率受線圈空間位置的影響情況，同時驗證了此系統的可行性。

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【通聯編輯：聞翔軍】

收稿日期：2019-10-16

基金項目：湖北省教育廳科學技術研究計劃項目（指導性項目），項目名稱：體內植入式磁耦合諧振無線電能傳輸系統研究為例（項目編號：B2017338）

作者簡介：劉新竹，女，湖北武漢人，副教授，研究方向為電氣自動化技術。