基于磁場耦合諧振的無線電能傳輸裝置設計

劉千銘，黃 毅，應 珊，馬嘉瑋

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000）

0 引 言

基于磁場耦合諧振的電能無線傳輸，其原理是將磁場作為電能無線傳輸的介質，通過發射線圈與接收線圈之間的共振，建立電能傳遞通道，從而實現電能的無線傳輸[1]。利用磁場耦合式的電能無線傳輸，傳輸距離可以達到幾米，能夠保證一定的傳輸功率與效率，且不受空間障礙物的影響。基于磁場耦合諧振式的電能無線傳輸技術具有傳輸距離遠、效率高等優點，有著廣闊的應用前景[2]。

本文基于磁場耦合諧振進行無線電能傳輸裝置設計，首先建立磁場耦合諧振式電能無線傳輸裝置電路模型，推導出了負載功率及傳輸效率計算方法。然后對磁場耦合諧振的電能無線傳輸裝置的發射端電路及接收端電路的設計進行說明。最后，制作實驗裝置，對設計方案進行驗證。

1 磁場耦合諧振無線電能傳輸裝置分析

基于磁場耦合諧振的電能無線傳輸裝置由電源、發射端電路、發射線圈、接收線圈及接收端電路組成。發射線圈和接收線圈可等效為LC電路，且LC電路的固有諧振頻率相同，當發射端電路輸出的激勵信號頻率與線圈固有諧振頻率相同時，發射線圈與接收線圈發生磁場耦合諧振，線圈間的電能無線傳輸通道得以建立[3]。

磁場耦合諧振式電能無線傳輸裝置等效電路如圖1所示，其中U發射端電路輸出的為高頻電壓信號，信號頻率為ω，Ls為發射線圈的等效電感，Rs為發射線圈的等效電阻，Cs為發射線圈的匹配電容，LD為接收線圈的等效電感，RD為接收線圈等效電阻，CD為接收線圈的匹配電容，RL為負載電阻，M為發射線圈與接收線圈間互感，D為線圈間的距離[4-5]。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置等效電路

高頻電壓信號頻率為ω，此時發射線圈與接收線圈發生諧振，發射線圈流過電流的角頻率為ω，電流有效值為IS，則有：

根據圖1的等效電路模型列KCL、KVL方程：

由式（2）、式（3）、式（4）得負載電流有效值IL、負載功率P0：

式（6）中IS與輸入電壓U成正比。

電能傳輸效率η為：

其中，P0為接收端電路的負載功率，P1為發射線圈的功率損耗，P2為接收線圈的功率損耗。

接收線圈中的電流ID為：

接收端線圈的損耗功率P2為：

發射端線圈的損耗功率P1為：

由式（6）～式（10），可以計算出傳輸效率η為：

兩線圈之間的互感近似為：

其中，Ns為發射線圈匝數，ND為接收線圈匝數，為真空磁導率，發射線圈與接收線圈之間的耦合系數k為：

發射線圈與接收線圈的結構和形狀對線圈的電感都有影響。當線圈為環形時，線圈電感計算公式為：

其中，N為線圈匝數，μ0為真空磁導率，r為線圈的半徑，a為線圈導線的線徑。

當發射線圈與接收線圈發生諧振耦合時，線圈等效電阻由輻射電阻及歐姆電阻構成，輻射電阻計算式如下：

其歐姆電阻計算公式為：

其中，σ為線圈導線的電導率；λ為電波波長。由于磁耦合諧振頻率在0.5～25 MHz，Rr?R0，所以線圈等效電阻近似等于R0。

當磁場耦合諧振式無線電能傳輸裝置匯總中，發射線圈及接收線圈參數已經確定后，諧振頻率ω0、Rs、RD、RL已經確定，激勵信號頻率ω影響電能傳輸效率η。當線圈的固有諧振頻率與激勵信號頻率相同，即ω=ω0時，電能無線傳輸的效率η最大；當激勵信號頻率偏離線圈的固有諧振頻率時，傳輸效率逐漸下降。電能無線傳輸速度可以由發射線圈與接收線圈間的耦合系數k來表征，耦合系數k越大，電能從發射線圈傳輸到接收線圈的速度就越快。耦合系數k主要是由線圈間的距離決定，當激勵信號頻率設定與諧振頻率相等時（ω=ω0），耦合系數k變化時，電能傳輸效率也隨之變化，k越大，傳輸效率越高[6]。

2 無線電能傳輸裝置設計

2.1 總體方案設計

通過線圈諧振耦合，實現無線電能傳輸，整個裝置由發射端電路及接收端電路組成。其中，發射端電路由脈沖信號發生電路、驅動電路、發射線圈組成。接收電路由接收線圈、整流電路、負載組成。發射端線圈與接收端線圈參數一致，線圈采用多股漆包線繞制，通過發射端電路給出頻率與線圈固有諧振頻率相同的激勵信號，使得發射線圈與接收線圈發生磁場耦合諧振，建立線圈間的電能無線傳輸通道。

2.2 發射端電路設計

發射電路主要由NE555多諧振蕩器電路、功率器件IRF540及發射線圈等組成。其電路如圖2所示[6-7]。

圖2 NE555時基電路

NE555輸出脈沖信號頻率f：

脈沖信號占空比T：

2.3 接收端電路設計

接收電路由接收線圈P1、D1～D4整流電路、電容C13構成，負載由R1與LED1-LED6組成，其電路如圖3所示。為了更容易實現接收與發射產生諧振，本設計的接收線圈與發射端線圈及并聯電容的參數相同[8]。

圖3 無線電能接收電路

3 實驗測試

實驗中，發射端線圈與接收端線圈參數一致，線圈采用多股漆包線繞制，每圈半徑20 cm，導線截面半徑為1 mm，線圈匝數為19匝。電路參數為：發射端電感Ls=300 μH，電容Cs=300 pF、Rs=7.2 Ω，接收端電感Ld=280 μH，電容Cd=300 pF，電阻Rd=5.9 Ω，為了方便進行功率測試，用電阻替代原來LED燈負載，其中RL=20 Ω，保持發射線圈與接收線圈間距離D=15 cm、輸入直流電壓VCC=16 V時，該無線電能傳輸裝置的效率η數據如表1所示[9]。

表1 效率測試圖

根據表1可知，頻率f=1.1 MHz時，無線電能傳輸裝置輸出功率達到最大；而電能無線傳輸效率隨著頻率的增加不斷增大。

4 結 論

本文基于磁耦合諧振式電能無線傳輸技術，設計了一個無線電能傳輸裝置，實現近距離電能無線傳輸。實驗裝置在兩線圈距離15 cm時，傳輸功率為4.9 W，傳輸效率達到48%。