一種并聯諧振無線傳能裝置的設計

徐廣廣 劉藝柱 付士淼 孫浩元

基金項目：天津市科技計劃項目；項目名稱：無人駕駛搬運車（AGV小車）科普資源包的設計與開發；項目編號：22KPXMRC00030。天津市市級大學生創新創業訓練計劃項目；項目名稱：提升電子天平測量精度的研究；項目編號：202212105009。

作者簡介：徐廣廣（2001— ），男，江西豐城人，本科生；研究方向：無線傳能技術應用。

*通信作者：劉藝柱（1975— ），男，山西臨汾人，副教授，碩士；研究方向：自動化技術應用。

摘要：磁耦合諧振式無線傳能傳輸技術是一種能夠實現中等距離高效率能量傳輸的技術，具有良好的隔離性能，然而現階段研究依然存在傳輸效率低、性能不穩定的現象。文章介紹了一種采用RLC并聯諧振實現的磁耦合諧振式無線傳能裝置。該設計采用環形振蕩電路產生高頻信號、高速TTL反相器對振蕩電路輸出的波形整形，并通過MOS管對輸入的方波信號進行放大，采用自制線圈可以實現RLC諧振，從而進行信號傳輸，實驗結果表明，系統無線傳能效率較高，可達到55%。文章設計的無線傳能裝置系統結構簡單、成本低、易于實現，且性能可靠，在小型無線用電設備中具有很好的應用前景。

關鍵詞：RLC并聯諧振；磁耦合諧振；無線傳輸；環形振蕩；高頻信號；自制線圈

中圖分類號：TN710 文獻標志碼： A

0 引言

近年來，無線電能傳輸技術的應用技術逐漸推廣，目前常用電磁感應式或磁耦合諧振式兩種傳輸方式進行無線電能傳輸。其中磁耦合諧振式能量傳輸能夠實現中距離、大功率的能量傳輸，安全系數高，靈活性高［1-2］，因此磁耦合諧振無線電能傳輸技術成為該領域的研究熱點，許多國內外學者在該領域進行了研究，在很多領域均有廣泛的應用前景［3-4］。目前電動汽車無線充電、移動設備充電、植入人體心臟起搏器電池充電等裝置都已使用電磁感應耦合方式的無線電能傳輸技術［5-6］。

電磁耦合諧振式無線電能傳輸的基本原理，是在一定距離范圍內，利用兩個相同諧振頻率的電磁系統，通過電磁耦合諧振，使電能在兩線圈間不通過導線進行無線傳輸，利用耦合線圈以及與線圈相連接的電容器，從而構成諧振電路，實現電能的無線傳輸［7-8］。現階段人們對于電磁耦合的無線傳能技術的理論研究已逐漸成熟，然而依然存在傳輸效率低、傳輸距離近、性能不穩定等問題，通過優化無線傳能電路，研究出一套傳輸性能好、性能穩定、結構簡單的電路具有重要意義［9］ 。

本系統設計采用磁耦合諧振式無線電能傳輸系統。研究發現如果傳輸效率同等情況下，使用四線圈可以更好地實現阻抗匹配［10-11］。因此，系統中實際使用四線圈進行耦合。

1 電路系統整體設計

本無線傳能系統結構如圖1所示，整個無線能量傳輸系統由以下幾部分組成：高頻正弦信號發生和功率放大電路、發射線圈和諧振初級線圈、諧振次級線圈、接收線圈以及整流電路和負載。其中發射線圈與功率放大電路相連接，接收線圈與整流電路相連接，電路系統的核心部件是兩個諧振線圈，諧振線圈是否發生諧振決定電路的傳輸效率。

2 RLC并聯諧振原理分析

本設計方案采用RLC并聯諧振方式實現無線傳能，RLC并聯電路原理如圖2所示，電感線圈用R和L串聯組合表示，電感線圈的阻抗為R，感量為L，感抗為XL；電感線圈與電容器C并聯，構成了RLC并聯電路，電容的容量為C，容抗為XC。電路工作電壓為U·，頻率為f，流過線圈支路的電流為IRL·，流過電容支路的電流為IC·。

電路中電壓U與電流I的相位關系如圖3所示，可以看出，并聯電容后電流、電壓之間的相位角從ΦRL減小到。=0時，即電壓與電流同相位，此時電路發生諧振，簡稱并聯諧振。電容支路電流完全抵消了RL串聯支路電流的無功分量，電路的總電流為RL串聯支路電流的有功分量［12］。

由相量圖可得：

3 系統電路設計

3.1 振蕩電路及信號整形電路

系統電路設計原理如圖4所示。本設計方案中采用環形振蕩電路實現高頻振蕩，用U1（CD4069）中的3個非門組成一個可調頻率的環形振蕩電路。電路的振蕩是通過電容C1充放電完成的，振蕩頻率可通過滑動變阻器R1的阻值調節，這種振蕩電路輸出為矩形方波。

由于方波輸出的振蕩信號電壓最大振幅為0～5 V，為充分驅動電源開關電路，使用U1中的另外3個非門反相器對振蕩電路輸出的波形整形，并提高輸出端的驅動能力。

3.2 功率驅動電路

MOSFET是電壓型驅動器件，沒有少數載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，在開通和關斷動態過程中，仍需要一定的驅動電流。常用的小功率驅動電路為不隔離的互補驅動電路，簡單可靠成本低，適用于不要求隔離的小功率開關設備。因此本設計中以三極管Q1和Q2構成的乙類推挽電路驅動MOS管Q3，對輸入的方波信號進一步放大。

3.3 線圈設計

電磁諧振無線傳能系統性能會受線圈的各項參數影響，因此設計合適的線圈參數對無線傳輸系統的性能是至關重要的［13］。對于磁耦合諧振式用到的線圈主要有螺線管式和平面螺旋式兩種，螺線管式結構線圈產生的磁場均勻且方向性好，同時產生的距離遠和效率高。而平面螺旋線圈使得線圈厚度很薄，非常適宜體積較小的用電設備，可以使得整個系統趨于微型化，其不足之處在于，該線圈對發射與接收線圈的位置有非常嚴格的要求，兩線圈的中心一旦偏離，會使能量傳輸效率急劇下降。

本設計方案中發射和接收線圈L1、L2均采用平面螺旋式繞法，線徑1mm，線圈內徑75mm，匝數4匝，根據Harold A. Wheeler近似公式：

式（6）～（7）中，Di是線圈內徑，N是線圈匝數，ω是線圈線徑，s是匝間距離，計算求得線圈電感值為2.73 μH。

3.4 接收回路及負載

能量接收回路由接收線圈、整流電路、負載等部分組成，整流橋堆D1將接收的交流能量轉換為直流能量驅動負載，負載R5選用1 W的LED。

4 實驗測試與結果

4.1 實驗測試

為了保證諧振無線傳能裝置高效工作，首先要保證發射和接收線圈L1、L2與所匹配的電容具有相同的諧振頻率。由于電感、電容制造過程中，每一個都存在著與標稱值之間的誤差，因此對線圈L1、L2并聯的電容在前面理論計算的基礎上進行實驗，對電容參數進行微調整，確保它們具有相同的諧振頻率。實驗過程中，調整輸入頻率f，測試短路電流、開路電壓以及輸入電壓、電流，計算得到表1所示數據。

從表1可以看出，當輸入信號頻率高于或者低于諧振頻率時，RLC并聯諧振電路失諧，阻抗迅速減小，信號電流明顯增大。由于RXL，ΦRL≈90°，I1·≈-I·C，I1≈ICI，I≈0，因此，并聯諧振時電路的阻抗模|Z0|較大，電流也就較小；從表1可以看出在頻率為3 MHz時，電路為諧振狀態，輸入電流為45.3 mA，電流為最小值，與理論相符。同時此時得到最大的傳輸效率為55%，如圖5所示。

4.2 實驗結果

把調試好的線圈組裝入無線傳能裝置，觀察負載LED的亮滅以及亮度的變化，間接地反映了諧振線圈調試是否一致。當輸入信號的頻率f為3.0 MHz，最接近電路的固有頻率f0（2.8 MHz）時，電路發生并聯諧振，此時電路的阻抗最大，且為純阻性，LED最亮，能量傳輸效率也最高。

5 結語

本文設計了一種使用RLC并聯諧振的無線充電系統，實驗驗證了系統設計的可行性。經過實驗測試，實驗結果表明此設計傳輸效率較高，最高效率可達約55 %。本系統采用環形振蕩電路產生振蕩信號，采用磁耦合式無線傳輸方式，其結構簡單、成本低、傳輸效率較高，穩定性較好，具有很好的實用性。本設計的創新性在使用簡單的電路實現無線傳輸功能，適用于大規模生產。在無線傳能設備中，尤其是小型無線用電設備中等可以采用此類電路，未來市場前景較好。

參考文獻

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（編輯 李春燕）

Abstract： Magnetic coupling resonance wireless energy transmission technology is a technology that can realize medium distance and high-efficiency energy transmission， and has good isolation performance. However， the current research still has the phenomenon of low transmission efficiency and unstable performance. This paper introduces a magnetic coupling resonant wireless energy transmission device realized by RLC parallel resonance. The design uses a ring oscillation circuit to generate high-frequency signal， a high-speed TTL inverter to shape the output waveform of the oscillation circuit， and amplifies the input square wave signal through MOS tube. The RLC resonance can be realized by using a self-made coil for signal transmission. The experimental results show that， The wireless energy transmission efficiency of the system is high， which can reach 55%. The wireless energy transmission device has the advantages of simple structure， low cost， easy implementation and reliable performance. It has a good application prospect in small wireless electrical equipment.

Key words： RLC parallel resonance; magnetically coupled resonance; wireless transmission; ring oscillation; high frequency signal; self-made coil