用于家用電器的較大功率無線電能傳輸技術研究

黃靈

【摘要】隨著科技水平的不斷提高，無線電能傳輸技術發(fā)展突飛猛進，其應用范圍不斷擴大，尤其是在醫(yī)療器械、家用電器以及電動汽車等領域。在無線電能傳輸技術中，以核磁共振式無線電能傳輸技術為典型，其具有比較適宜的傳輸功率，并且在家用電器中應用可有效避免有線供電方式中各種不安全因素和弊端。本文就是以核磁共振式無線電能傳輸技術為例，對其結構原理和設計方法進行了分析。

【關鍵詞】家用電器；無線電能傳輸技術；研究

無線電能傳輸技術最早始于十九世紀，主要經(jīng)歷了微波無線電能傳輸、核磁共振式無線電能傳輸、感應耦合式無線電能傳輸三個發(fā)展階段[1]。相對于導線傳輸電能，無線電能傳輸技術在用電安全、用電設備保護以及維護保養(yǎng)方面具有顯著的優(yōu)勢特點。核磁共振式無線電能傳輸技術被廣泛應用家用電器之中，較微波無線電能傳輸技術，其在使用安全性和防止應用副作用方面具有優(yōu)異的性能；而較感應耦合式無線電能傳輸技術，其咋傳輸功率大小方面與家用電器使用功率正好吻合。下面著重以核磁共振式無線電能傳輸技術為例進行其結構原理、設計應用分析：

一、無線電能傳輸系統(tǒng)結構

核磁式無線電能傳輸系統(tǒng)主要由整流橋、逆變器、耦合線圈以及負載四部分組成[2]，其中最為關鍵的組成部分為耦合線圈。核磁式無線電能傳輸過程：外部電網(wǎng)供電先進入整流橋內，轉變?yōu)橹绷麟姾髠鬏斨聊孀兤髦校孀兤鲗⒔邮盏闹绷麟娹D變?yōu)閹资甼Hz以上的交流電，耦合線圈接收到變化電流后激發(fā)出交變磁場，并產(chǎn)生頻率相同的交流電，后再經(jīng)整流器接收后轉換為直流電供給負載使用。

二、無線電能傳輸原理分析

核磁式無線傳輸系統(tǒng)關鍵技術在于耦合線圈技術，常見的耦合線圈連接拓撲結構包括串聯(lián)-串聯(lián)、并聯(lián)-并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)四種。由于家用電器電源為相對穩(wěn)定的直流電壓，通常耦合線圈以電容和電感串聯(lián)方式為主，主要通過串聯(lián)-串聯(lián)和串聯(lián)-并聯(lián)兩種結構完成。對于耦合線圈串聯(lián)-串聯(lián)拓撲結構，當輸入和輸出線圈回路固有諧振頻率相同時，輸出電壓與輸入電壓間相位差為90°；當輸入和輸出線圈回路固有諧振頻率不同時，輸入和輸出電流與電壓是同位的，且負載變?yōu)榧冏栊载撦d。耦合線圈串聯(lián)-并聯(lián)拓撲結構，即在耦合線圈發(fā)射線圈上為電容與電感以串聯(lián)方式連接，而接收線圈中電容與電感以并聯(lián)方式連接。在耦合線圈串聯(lián)-并聯(lián)拓撲結構中，電容與電感間的相位差與線圈工作頻率、諧振電容、接收線圈的性能參數(shù)以及負載有密切關聯(lián)。

三、無線電能傳輸系統(tǒng)的設計

進行無線電能傳輸系統(tǒng)設計時，主要從設計要求、耦合線圈的設計和硬件電路的設計三方面分析，具體為[3]：

（一）設計要求

以核磁式無線電能傳輸原理進行設備設計，對家用電器進行無線供電，設計要求具體為：發(fā)射端線圈要求在40*50cm以內；接收端線圈要求在20cm以內，供電電源要求為308V直流穩(wěn)壓電源；設備工作頻率要求低于200kHz；負載要求為300-700w阻性負載；電壓輸出有效值要求在220V±10%；設備傳輸效率要求最低值大于70%。

（二）耦合線圈設計

進行耦合線圈設計時，主要從確定導線、線圈繞制、耦合系數(shù)以及電容的確定四方面進行分析。

（1）在確定導線方面，受趨膚效益影響，導線截面積縮小使得電流傳輸過程中電阻增大。由于線圈電阻對整個無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率有明顯影響，因此對組成耦合線圈導線進行確定選擇時，應充分考慮導線直徑。根據(jù)本系統(tǒng)設計要求，該導線直徑確定為1mm，且使用漆包處理。

（2）在線圈繞制方面，對于發(fā)射線圈既可以做成圓形，又可以做成方形，就本系統(tǒng)設計要求來說為避免出現(xiàn)磁通量為零情況發(fā)生，選擇發(fā)射線圈為方形。并且咋繞制過程中，采用單邊繞制方法，由外向內進行線圈繞制，且保證線圈與磁芯保持同側。對于接收線圈來說，通常采用雙線圈并聯(lián)方法，可有效將線圈電阻值降低。

（3）在線圈耦合系數(shù)方面，通常情況下耦合系數(shù)隨耦合線圈距離增大而減小，且對無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率有重要影響。一般使用高磁導率材料，增強線圈耦合度，以此增大耦合系數(shù)。線圈組合不同，其耦合系數(shù)也隨之改變。此外，耦合系數(shù)也受接收線圈中加入磁芯影響，這是由于磁芯的加入，提高了接收線圈的電感值，進而使耦合系數(shù)增加。線圈的相對位置對耦合系數(shù)也有影響，接收線圈間距越小，耦合系數(shù)越大。

（4）在確定電容方面，電容對于無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率具有重要影響，對電容進行確定時，首先確保電容量承受的電流、電壓變化率足夠大；其次是電容具有優(yōu)良的高頻特性；再次是確保等效串聯(lián)電阻要足夠小。電容值的能否匹配合適，可通過將多個電容串并聯(lián)完成，既有效的降低了電容所承受的負擔，又可以增強其分流分壓特性。

（三）硬件電路設計

對無線電能傳輸硬件電路進行設計時，主要從逆變器、驅動電路、電流采樣和保護電路三方面進行，具體為：

（1）在逆變器設計方面，當供電輸入端為直流電壓時，逆變器通常采用單相電壓型方波逆變器，主要包括全橋逆變電路和半橋逆變電路兩種。根據(jù)本系統(tǒng)設計要求，在該系統(tǒng)中主要采用全橋逆變電路。

（2）在驅動電路設計方面，驅動電路功能是接受由控制器發(fā)出的控制信號，并對該信號進行放大用以產(chǎn)生功率，當功率足夠大時即完成對開關器件的開關狀態(tài)控制。驅動電路在接收到控制器輸出的控制信號后，在驅動電路內經(jīng)一級推挽電路后，將控制信號芯片所需求電平，后進入集成驅動芯片，經(jīng)芯片放大功率，將功率提高至開關器件所需功率水平，以完成對開關器件開關狀態(tài)的控制。

（3）在電流采樣和保護電路方面，根據(jù)設計要求，控制器的功能主要產(chǎn)生控制信號和采樣檢測輸入電流。通常情況下，輸入電流設置量程為5A，當大于量程時，系統(tǒng)通過對輸出信號進行切斷處理，以此保護功率。傳感器輸出信號的穩(wěn)定性，是由信號輸出處理電路決定的。傳感器輸出信號處理電路主要包括三級：第一級主要對電路進行濾波和運算處理；第二級主要以參考電壓為基準，對信號進行運算；第三級主要利用RC濾波電路對信號進行二次濾波。

四、小結

當前，無線電能技術的改進和發(fā)展，使其具有更加廣泛的應用空間，特別是在家用電器方面。無線電能傳輸技術較導線電能傳輸在安全性、便捷性等方面都具有較明顯優(yōu)勢。本文以核磁式無線電能傳輸技術為例，對其結構構成、原理技術以及相關設計方面進行分析，為無線電能傳輸技術后期應用奠定了堅實的基礎。

參考文獻

[1]黃學良，譚林林等.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013（10）：1-11.

[2]趙爭鳴，張藝明等.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J].中國電機工程學報，2013年1月：83-87.

[3]吳家宏.用于家用電器的較大功率 無線電能傳輸技術研究[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士畢業(yè)生論文，2013.07.