非接觸電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

劉一緯　黃矗　胡文港

摘 要：傳統(tǒng)的電能傳輸方式常采用諸如插頭、開關(guān)等機(jī)械接觸，在化工、采礦、水下等易燃易爆的特殊場合極易引發(fā)事故。另外，隨著醫(yī)學(xué)上人工器官以及體內(nèi)診療裝置的迅速發(fā)展，體內(nèi)充電的要求變得更加迫切。而傳統(tǒng)的能量傳輸方式需要用導(dǎo)線將體外與體內(nèi)的裝置直接連接，給病人帶來了極大不便并易導(dǎo)致皮膚感染等痛苦。非接觸式電能傳輸技術(shù)將禍合器的磁路分開.初、次級(jí)繞組分別繞在不同的鐵心上.實(shí)現(xiàn)了電源和負(fù)載之間非機(jī)械連接的電磁能量傳遞.可望解決上述特殊場合所存在的問題。

關(guān)鍵詞：電能傳輸；機(jī)械接觸；非接觸式

1 研究的目的及意義

電能是傳統(tǒng)石化燃料的主要替代能源，并且在實(shí)際應(yīng)用中電能也是最好的取代和應(yīng)用的清潔能源之一。但是電池在目前的技術(shù)水平下有兩個(gè)個(gè)問題無法解決：一是充電時(shí)間長；二是續(xù)航時(shí)間短。各行業(yè)寄希望于電池行業(yè)能夠早日實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，解決掉這兩個(gè)技術(shù)難題。然而，電池技術(shù)在短時(shí)間之內(nèi)是很難有質(zhì)的飛躍。方便、舒適、美觀逐漸成為人們對(duì)新時(shí)代生活用品的要求。在人們長期因?yàn)橛秒娖骷墓╇妴栴}煩惱時(shí)，出現(xiàn)了非接觸式電能傳輸并且發(fā)揮了它應(yīng)有的價(jià)值、優(yōu)勢(shì)和功能。

非接觸電能傳輸技術(shù)的基本目的就是實(shí)現(xiàn)不通過輸電線，直接將電能通過電磁波的形式發(fā)送到需要用電的地方。而對(duì)于電能的傳輸也就是電能的利用上最關(guān)注的就是：

安全性：通過電磁波進(jìn)行電能傳輸，產(chǎn)生的較大的電磁波不能對(duì)環(huán)境中其他的生物產(chǎn)生任何的影響。

小型性：原本是為了解決電能傳輸?shù)姆奖阈?，但是也不能因?yàn)槿〈溯旊娋€傳電的方式而帶來了較大的笨重的儀器設(shè)備。應(yīng)該設(shè)計(jì)出方便攜帶，基本不影響美觀、重量的輸電模塊。

穩(wěn)定性：盡量是輸入端輸入的電能的波形與輸出端輸出的波形一致，盡量避免波形的失真。并且，如何使得每一點(diǎn)

高效性：對(duì)電能的利用率問題，這也是最值得關(guān)注的，利用空氣中電磁波的電能傳輸，必將有大量的能量浪費(fèi)。哪些因素會(huì)影響電能的傳輸效率，提供怎么樣的環(huán)境可以使電能的傳輸效率提高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)

電路結(jié)構(gòu)：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

電源端設(shè)計(jì)：

圖1中，L1、L2、L3大感量電感是作為推挽輸出的模擬電流源。IRF840是NMOS管，電路中作為開關(guān)器件。C1和L4組成諧振頻率為100KHz的RL振蕩電路。

LC并聯(lián)諧振電路的諧振振蕩頻率：

當(dāng)電路通電時(shí)，兩個(gè)MOS管所組成的半橋電路便開始工作。由于電路中的噪聲，兩個(gè)MOS管開關(guān)頻率是不確定的。由于電路中的噪聲頻域范圍很廣，必然含有100KHz左右的噪聲。而LC并聯(lián)電路對(duì)100KHz的頻率有選頻作用，100KHz的分量就會(huì)被放大。從而100KHz的頻率便占到了主導(dǎo)作用，MOS管的開關(guān)頻率便穩(wěn)定到100KHz。

本電路的選用的NMOS管是IRF840，最大導(dǎo)通飽和電流Is=8.5A，門控電壓VGS=2.0-4.0，靜態(tài)電阻RDS=0.7Ω，符合本電路的設(shè)計(jì)要求。一方面，MOS管作為電子開關(guān)；另一方面MOS也作為放大電路使用。

電路穩(wěn)定后，通過仿真得到的結(jié)果：

峰值電壓：Vp-p=±15.3V

電壓有效值：Vrms=7.7V

頻率約為97.5KHz

接受端電路設(shè)計(jì)：

經(jīng)過LC震蕩電路，電磁波由電感線圈發(fā)出。接收端電感線圈通過空氣與原邊電感線圈耦合，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)是交流的，而所使用的空氣泵確是直流電動(dòng)機(jī)。因此，通過橋式整流把交流電整流為直流。

在接收端電感并聯(lián)補(bǔ)償電容，二次回路將會(huì)產(chǎn)生LC振蕩電流，無功功率增加，從而電感L5上的電流增大，加大傳輸效率。通過整流橋和47uF的大電容使電壓波形穩(wěn)定，穩(wěn)壓二級(jí)管進(jìn)一步穩(wěn)定電壓，從而獲得較為可靠的直流電壓。R1是等效負(fù)載。

結(jié)論：本設(shè)計(jì)完成了從仿真軟件Multisim上實(shí)現(xiàn)了100KHZ的振蕩頻率的諧振電路，并且模擬實(shí)現(xiàn)了從直流到交流，又經(jīng)過功率放大電路產(chǎn)生較大功率的振蕩電流，加大了傳輸效率，之后在接收端有通過LC振蕩電路接收信號(hào)，最后將受到的交流電又轉(zhuǎn)化為直流電，實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸傳輸。

4 結(jié)束語

非接觸充電能夠克服傳統(tǒng)電能傳輸方式的很多缺點(diǎn)，具有很大的市場和研究價(jià)值。展望未來，隨著技術(shù)和材料的不斷進(jìn)步，效率更高、更加安全可靠的非接觸供電將出現(xiàn)在我們的生活中。這將彌補(bǔ)移動(dòng)終端以及電動(dòng)汽車電池續(xù)航能力差，充電不方便等缺點(diǎn)，進(jìn)一步方便我們的生活。