無線電能傳輸裝置的設(shè)計與分析

林柏林

【摘要】 無線電能傳輸是借助于電磁場或者電磁波進(jìn)行能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)。電能給人類帶來巨大的發(fā)展和便利，然而錯綜復(fù)雜的輸電線分布在生活的各個角落，既不美觀又不方便，因此人類一直想要擺脫電線的束縛而能夠?qū)崿F(xiàn)電能無線傳輸?shù)膲粝?。本文章介紹了無線電能傳輸?shù)膸追N方式，并通過比較他們的利與弊，選擇最合適的方式，以追求最大的利益。

【關(guān)鍵詞】 無線電能 傳輸 諧振耦合 MRPT

一、系統(tǒng)設(shè)計方案及論證

1.1 無線電能發(fā)射部分

發(fā)射電路作為無線電能傳輸傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分該部分設(shè)計的好壞對總的傳輸功率也有著十分重要的影響。因此在給系統(tǒng)中設(shè)計出一個高效的發(fā)射電路也是十分重要的一環(huán)。本設(shè)計使用門極諧振電路驅(qū)動MOS管，其開關(guān)速度快，屬于軟開關(guān)，可以實現(xiàn)較低信號，產(chǎn)生較高電壓來驅(qū)動MOS管，利于能量傳輸，效率高。

1.2 無線電能傳輸部分

采用兩個自諧振線圈。電感線圈的設(shè)計和制作方法中我們了解到在高頻狀況下，線圈匝間電容和集膚效應(yīng)將會是導(dǎo)致電阻增加而造成Q值降低，在空心電感的設(shè)計上都是應(yīng)該考慮的。但這些因素恰恰是引起線圈諧振所必需的，在諧振耦合中好似加以利用的。另外提到有關(guān)線圈電感量計算公式中，都沒有關(guān)于線圈所用繞線直徑方面的內(nèi)容，這就表明了線圈的電感量與線徑無關(guān)。

但實際上，線徑大小雖然不影響線圈的電感量，卻對線圈性能有影響。也就是說，線徑越細(xì)，線圈的等效串聯(lián)電阻就越大，Q值就越低，線圈性能就越差。

1.3 無線電能接收部分

無線電能的接受由三大部分組成，分別是整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。整流是為了方便接收線圈將高頻率的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成我們負(fù)載所需要的電壓。整流有半波整流和橋式整流。通過實驗比較可知，橋式電流的效率以及對二極管的保護(hù)能力相對于其他方案要占優(yōu)勢一些。雖然整流可以將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，但是輸出電壓會由很大的脈動成分，這樣在給諧波進(jìn)行供電時會受到很大的諧波干擾，因為我們還需要濾波。

濾波分為有源濾波與無源濾波，因為本實驗是給兩個LED燈供電，沒有太高要求，因此我們采用無源濾波。而無源濾波又分為電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波，但是電容濾波比較簡單，因此采用無源濾波。在經(jīng)過了整流和濾波后，雖然高頻交流電變成了直流電并且消除了濾波干擾，但是輸出的電壓卻不穩(wěn)定，為了滿足要求，我們就需要添加穩(wěn)壓器件，把電壓控制在要求的電壓值。

1.4 顯示處理部分

為了便于觀察實驗結(jié)果，采取單片機驅(qū)動液晶同時進(jìn)行A/D裝換。

二、系統(tǒng)理論分析與計算

2.1無線電能傳輸理論分析

在本實驗中，我們采用的是諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)。 在本實驗中就是采用的兩個線圈，當(dāng)線圈中通交流電時，線圈周圍就會產(chǎn)生隨時間變化的電場，于是空間就會有一系列的電場和磁場效應(yīng)，能量從線圈上發(fā)射，變化的磁場與變化的電場一起向外輻射，就產(chǎn)生了電磁波，從而就可以達(dá)到無線傳遞能量的目的。

在此無線諧振耦合電路中，由于電磁耦合無線電能傳輸?shù)闹C振頻率都在兆赫茲，而逆變電路的最高逆變頻率只在幾百K赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到諧振器的工作頻率，因此選用高頻振蕩電路作為信號源。另外在試驗中發(fā)現(xiàn)頻率一個很小的變化對整個系統(tǒng)的影響都非常大，由于所涉及振蕩電路頻率可調(diào)的范圍有限，所以用八兆有源晶振搭建的信號源，通過門極諧振電路來驅(qū)動MOS管，降低前級驅(qū)動損耗，再驅(qū)動后極E類射頻放大電路。

2.2無線電能傳輸理論計算

松耦合變壓器模塊的主要作用就是將能量轉(zhuǎn)換后的高頻電源耦合到用戶端。松耦合部分（可分離式變壓器）是能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。松耦合系統(tǒng)通過大間隔的耦合電感傳輸電能，所以產(chǎn)生很大的漏感，造成原邊電流很大部分通過耦合電感流回電源，因而效率較低。為了提高效率并減小設(shè)備體積，辦法是提高工作頻率并使其工作于諧振狀態(tài)，這時工作電流近似為正弦波形。設(shè)M為耦合裝置互感，LP和LS為初級、次級激勵電感，初級磁場發(fā)射的高頻載流線圈工作角頻率為w，電流有效值為iP，則松耦合系統(tǒng)次級電路接受線圈的開路電壓為Voc：

相應(yīng)地，次級線圈的諾頓等效電流Isc為：

次級電路品質(zhì)因數(shù)為QS：

R為次級電路等效電阻。

無線供電系統(tǒng)的能量傳輸能力，即次級線圈能夠獲得的最大功率Pm為：

其中，松耦合變壓模塊如圖1所示。

因此，增大系統(tǒng)能量傳輸能力的方法有：增大工作頻率f（w）、增加初級電流iP、增大互感M或減小次級自感LS、增大品質(zhì)因數(shù)QS。由于品質(zhì)因數(shù)不宜過大，因而有效系統(tǒng)傳輸能力的方法是增大工作角頻率w和初級電流iP。

能量調(diào)節(jié)模塊主要是調(diào)節(jié)電流，其主要作用是提高系統(tǒng)能量的傳輸能力，實際電路設(shè)計時采用多個電容串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)功率補償調(diào)控。

由于線圈拾取機構(gòu)與導(dǎo)軌間的距離總是處于一種隨機變化狀態(tài)，導(dǎo)致拾取線圈中的感生電動勢幅值也不斷發(fā)生改變。因此，由其形成的電壓源不能直接驅(qū)動負(fù)載，必須經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，才能以穩(wěn)恒電壓源的形式給負(fù)載提供穩(wěn)定、有效供電。同時為了改善負(fù)載性質(zhì)，使其在初級側(cè)的反射阻抗呈純阻性，提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率，需在整流前加入一個功率補償電路。

三、電路設(shè)計圖

此電路主要是由發(fā)射裝置，傳輸裝置以及接收裝置所組成。主要有三大部分，分別是穩(wěn)壓模塊，射頻放大電路以及橋式整流電路，完成給兩只串聯(lián)LED燈供電。

3.1穩(wěn)壓模塊

線性穩(wěn)壓器7805能有效的將15V的電壓轉(zhuǎn)換為5V供其他模塊使用，且成本低廉，效果好。

3.2射頻放大電路

信號源通過74hc14對信號進(jìn)行整流，然后通過門極諧振電路來驅(qū)動MOS管，組成E類射頻放大電路，進(jìn)行能量發(fā)送，其電路如圖2所示。

3.3橋式整流電路

橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。其中的變壓器起變壓的作用，二極管相當(dāng)于單向?qū)щ娮饔茫膫€二極管二二輪流導(dǎo)通與截止使波形完整，電路如圖3示。

四、測試方案及試驗結(jié)果

功率（W）

距離（cm） 實驗數(shù)據(jù) 理論數(shù)據(jù)

0 0.98 14.7

5 1.33 14.5

10 0.413 14.3

為了驗證理論設(shè)計和實際裝置測試值的正確性，同時也為了論證設(shè)計達(dá)到指標(biāo)要求，對樣機進(jìn)行了實驗研究。上為試驗數(shù)據(jù)。

從表中可知理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有一定差別，其主要原因：一部分是元器件參數(shù)存在的誤差，另一部分在高頻情況下，元器件會產(chǎn)生內(nèi)部寄生電容，并且還要考慮導(dǎo)線的電感。并且射頻放大模塊本身效率不高導(dǎo)致與理論相差較大。

五、設(shè)計總結(jié)

本次設(shè)計，主要是實現(xiàn)無線能量傳輸?shù)墓δ?，并且要達(dá)到一定的效率，整個過程中想過多種方案，最終確定為E類射頻放大電路，但在調(diào)試過程中實驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)差別較大，提高效率是今后努力的方向。