面向磁耦合共振無線電能傳輸的散熱方法

閻毓杰，付 強，李 巍，王 楠，王 寵

（1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430061；2.渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004）

0 引 言

一般情況下，設備的供電電源電纜十分冗雜，因此相關研究人員提出應用微波和電磁輻射技術開發無線電能傳輸方法。然而，電能傳輸的過程中會產生大量的熱量，不利于電子元器件的正常工作，會降低系統的性能。

在自然對流的一般情況下，于巖等人提出通過不同疊層結構印制電路板來散熱，通過促進散熱器內部空氣持續流動，改善散熱器散熱效果[1]。由于散熱器底層部分的空氣流動性較差，會引起熱量聚集。徐婷婷等人通過研究每個翅片的傾斜角度和各個翅片間的距離等變量，研制了一種新型樹葉形翅片的散熱器，通過改變器件的布置方式、風機位置以及增加額外附屬設備等手段，完善散熱功能[2]。付鵬等人研究發現冷卻空氣集中是熱量不能及時散發的一個原因，而將冷卻的空氣均勻分布于散熱器翅片中，可以增強散熱器的散熱能力，因此提出在設備中引用導風板[3]。結果表明，引用導風板后，熱源溫度最高降低了21℃。張建新等人考慮功率變換器的肋片方向可能影響散熱效果，然后通過實驗證明了肋片朝上放置時功率變換器的溫度升高跨度和梯度最小[4]。

針對磁耦合共振無線電傳輸應用的散熱方法，文章提出采用對流散熱和溫差發電傳導散熱組合的方式，達到有效散熱的目的。通過加裝風扇，增強空氣對流散熱能力；通過加裝溫差取電片，實現熱量的傳導轉移。仿真測試表明，該組合式方法散熱效率高，能夠自適應地快速降低磁耦合共振無線電傳輸裝置的發熱情況。

1 基于溫差取電的傳導散熱方法設計

針對磁耦合共振無線電能傳輸，設計基于溫差取電的傳導散熱方法。該方法的硬件構成主要包括溫差發電模塊和能源管理模塊?；跍夭钊‰姷膫鲗岱椒ㄔ?，如圖1 所示。

圖1 基于溫差取電的傳導散熱方法原理

溫差發電模塊包括電性連接的溫差發電片和電壓轉換器；儲能模塊包括超級電容、穩壓器、開關以及散熱電阻。超級電容和穩壓器串聯后與電壓轉換器進行電性連接，開關和散熱電阻串聯后與超級電容并聯。使用散熱系統時，將溫差發電片的高溫面與磁耦合共振無線電能傳輸裝置內部的電路板接觸，溫差發電片的低溫面與空氣接觸。散熱電阻設置在磁耦合共振無線電能傳輸裝置的外部。

設計由K個溫差片串聯構成一組溫差發電單元，以改善傳導散熱效果，同時將多組串聯的溫差片進行并聯組合，以擴大散熱面積。分析可知溫差單元回路中產生的溫差電動勢U為

式中：α為半導體材料的塞貝克系數；Th為測量端溫度；Tc為參比端溫度。

該電動勢作用到溫差發電片內阻r和負載電阻RL上，形成回路。經過電路分析可以得到輸出電壓Uo、輸出電流I和輸出功率Po外界耗散的能量，分別為

該散熱系統運行過程中，溫差發電片和電壓轉換器將磁耦合共振無線電能傳輸裝置內部電路板上產生的熱能轉化為電能，并存儲于超級電容內，實現熱能向電能的轉化[5]。需要對超級電容放電時，先閉合開關，使散熱電阻與超級電容并聯，再由散熱電阻將超級電容存儲的電能轉化為熱能釋放到磁耦合共振無線電能傳輸裝置的外部，從而達到有效散熱的目的[6]。

2 對流散熱與傳導散熱的組合式方法

基于溫差取電的傳導散熱方法設計對流散熱，得出了對流散熱與傳導散熱的組合式方法。對流散熱與傳導散熱的組合式方案原理如圖2 所示。該組合式方法的硬件主要包括溫差發電片、電壓轉換器、超級電容、穩壓器、電子開關、散熱電阻、單片機、電壓傳感器、溫度傳感器、顯示器以及風扇[7-8]。

圖2 對流散熱與傳導散熱的組合式方案原理

為加快空氣與散熱電阻的換熱速度，在磁耦合共振無線電傳輸裝置上加裝風扇，將空氣吹掃至散熱電阻。將單片機與風扇啟?？刂菩盘柧€連接，用于控制風扇開啟或者關閉。單片機實時檢測電壓傳感器采集的超級電容2 端的電壓，一旦檢測到超級電容2 端的電壓達到預設的電壓閾值，就立即控制風扇開啟對流散熱模式，同時閉合電子開關，使散熱電阻與超級電容并聯，將超級電容存儲的電能通過散熱電阻轉化為熱能釋放到外面，實現自適應地快速降低磁耦合共振無線電傳輸裝置溫度[9]。

對于加裝風扇的強迫風冷方式，風扇的位置及空氣的流動狀況會影響散熱效果[10]。磁耦合共振無線電能傳輸裝置中，風扇位于后面板兩側，風道為直通道，中間部位通風率較低。增加2 塊擋風板，并去除部分散熱器翅片，可使中間部位風道中的空氣更好地流通，從而提高系統的散熱性能[11]。實際情況中，由于存在風阻，風扇工作點的風量值小于風扇最大風量值。選擇風扇時，風扇的最大風量值一般取計算所得風量值的2 倍以上。

3 仿真分析

通過分析散熱系統的流場，優化散熱風扇出風角，提高散熱效率。對于磁耦合共振無線電能傳輸裝置中電路板處位置采集的溫度數值，如圖3 所示。分別對加裝風扇的對流散熱方法、溫差取電的傳導散熱方法以及加裝風扇的對流散熱+溫差取電的傳導散熱2種方法組合方案的散熱效果進行了定量仿真分析[12]。由圖3 可知，組合方法能夠實現自適應散熱降溫，且效果性能比加裝風扇的對流散熱方法、溫差取電的傳導散熱方法更佳。

圖3 裝置內部溫度

4 結 論

磁耦合共振無線電能傳輸裝置對散熱設計有著較高的要求，考慮各模塊裝配空間有限和灰塵、水氣影響，封裝的裝置使得散熱環境出現惡化。基于該背景，建立了適用于磁耦合共振無線電能傳輸應用的散熱方法，通過加裝風扇，加強空氣的對流散熱；通過加裝溫差取電片，實現了熱量的傳導轉移，達到快速降溫的目的。仿真測試表明，采取單一的散熱方法（加風扇、溫差取電散熱）對降溫有一定的效果，而采用組合式散熱方法效率更高，能夠自適應地快速降低磁耦合共振無線電傳輸裝置的發熱情況。