基于磁諧振技術(shù)的無線充電裝置

李博，朱宸綦，劉佳敏，何靜，馬驍

（1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安710119j 2.玉門油田方圓物業(yè)公司甘肅玉門735000）

基于磁諧振技術(shù)的無線充電裝置

李博1，朱宸綦1，劉佳敏1，何靜2，馬驍1

（1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安710119j 2.玉門油田方圓物業(yè)公司甘肅玉門735000）

針對(duì)無線能量傳輸技術(shù)在大范圍民用化中的一些問題，基于實(shí)驗(yàn)室模型，本文提出了一種通過合理利用磁諧振技術(shù)的一對(duì)多能量傳輸裝置的構(gòu)想。該構(gòu)想通過科學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)測試，重點(diǎn)探究了一對(duì)多傳輸系統(tǒng)的特性，探究其在具體應(yīng)用中的可行性。仿真結(jié)果表明，該構(gòu)想能夠有效探究無線能量一對(duì)多傳輸技術(shù)。

無線能量傳輸；一對(duì)多；磁諧振技術(shù)；民用化

在2010年的一項(xiàng)調(diào)查中顯示［1］，我國60%以上的用戶認(rèn)為電池電量不足是困擾他們的最大問題。手機(jī)是靠電能驅(qū)動(dòng)的，沒有電的手機(jī)就是一塊廢鐵。人們?yōu)榱私鉀Q這一難題，制造了移動(dòng)電源，但現(xiàn)在市面上所出售的移動(dòng)電源僅能供部分設(shè)備充電，無法滿足大功率電器的長時(shí)間使用。因此，相比于制造高性能的移動(dòng)電源，無線能量傳輸技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性成為未來發(fā)展的主流方向［1］。從2005年開始，市場上就已經(jīng)有了一些無線充電裝置，但使用起來效果很不理想，因?yàn)槠淙匀粺o法進(jìn)行大功率、遠(yuǎn)距離的傳輸，達(dá)不到大范圍民用化的標(biāo)準(zhǔn)［2］。

1　原理及設(shè)計(jì)

1.1方案的比較和選擇

文中所設(shè)計(jì)的無線充電裝置主要應(yīng)用了4個(gè)方面的技術(shù)原理，分別是：諧振補(bǔ)償技術(shù)、高頻逆變技術(shù)、整流濾波技術(shù)、諧振耦合技術(shù)。主要特點(diǎn)為：一對(duì)多、大功率、高效率。通過發(fā)射端磁感應(yīng)線圈向周圍空間傳輸能量，周圍的手機(jī)所接連的磁感應(yīng)接收裝置來收集電能，從而達(dá)到能夠同時(shí)向周圍多個(gè)設(shè)備傳輸電能的目的。文中主要從這4個(gè)方面具體設(shè)計(jì)方案的比較和選擇，來進(jìn)行論述。

圖1　整體原理圖

1.1.1高頻逆變部分

在基于磁諧振技術(shù)的無線充電裝置中，高頻逆變部分的功能是由直流電壓（電流）逆變產(chǎn)生高頻電壓（電流），并在變換后給發(fā)射端耦合線圈提供穩(wěn)定的高頻電流。高頻逆變部分是系統(tǒng)的極為重要的部分，一個(gè)系統(tǒng)的工作性能很大程度上取決于高頻逆變電路是否能達(dá)到工程要求。在比較了多種電路后，本文采用了全橋式逆變電路來構(gòu)成無線充電裝置。全橋式高頻逆變電路輸出功率比較大，開關(guān)管電壓較低，可以采用軟開關(guān)工作方式，提高性能要求。全橋式高頻逆變電路的缺點(diǎn)是功率器件較多［3］，控制及驅(qū)動(dòng)電路都較復(fù)雜，逆變電路器件會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，多應(yīng)用于大功率場合。

1.1.2高頻產(chǎn)生電路

使用M430單片機(jī)產(chǎn)生高頻信號(hào)。8 MHz晶振的M430單片機(jī)可以由2個(gè)管腳產(chǎn)生兩列占空比均為1/3的PMW波，經(jīng)設(shè)置相位，2列波正好為可以為產(chǎn)生死區(qū)的PMW波，頻率分別為333 M、667 M、1.3 G，滿足預(yù)期的條件。

1.1.3驅(qū)動(dòng)電路

文中考慮到IR2110是一種比較新穎的功率MOSFET或IGBT高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，由美國IR公司推出，這個(gè)模塊可以允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升存在較大變化率，可以緩解功率開關(guān)器件在開關(guān)上產(chǎn)生損耗的問題。此外，IR2110與其他同類型模塊相比較，還具有電磁隔離等特性，更符合本文所需中小功率變換電路中作為驅(qū)動(dòng)器件的要求。IR2110的工作頻率最高可達(dá)為3 MHz，而其他同性能MOSFET的驅(qū)動(dòng)芯片的工程要求是能夠承受較大的驅(qū)動(dòng)電流，并實(shí)現(xiàn)較高的工作頻率。此外，IR2110是現(xiàn)有市場上極少能夠在頻率方面達(dá)到兆級(jí)的要求的芯片，故選擇了芯片IR2110。

1.1.4直流電源轉(zhuǎn)換部分

MC34063由于其造價(jià)便宜，且自身包含了單片控制電路，可較好地完成DC/DC變換控制電路。它的電路組成成分包括：比較器、占空比可調(diào)振蕩器、自動(dòng)補(bǔ)償溫度的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、R—S觸發(fā)器以及大電流輸出開關(guān)電路。該器件可用于升降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC/DC變換器所需外部元器件相比較而言很少。因此達(dá)到了電路的要求，故選用。

1.2各部分具體的電路圖

1.2.1直流電源轉(zhuǎn)換電路

利用MC34063將15 V變5 V、12 V，該部分的電路圖具體如圖2所示。

圖2　直流電源轉(zhuǎn)換電路圖

1.2.2驅(qū)動(dòng)高頻逆變整合電路

在具體設(shè)計(jì)和仿真電路時(shí)，本文將高頻逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路在一起設(shè)計(jì)和仿真，利用IR2110和1N5399、IRF740構(gòu)成驅(qū)動(dòng)和逆變電路，將單片機(jī)提供的330 kHz的信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)。圖3為本文的驅(qū)動(dòng)高頻逆變整合電路仿真圖［2］。

1.2.3整流濾波電路

在實(shí)際設(shè)計(jì)仿真整流濾波電路時(shí)，選用了單相橋式整流電路，仿真電路圖如圖4所示。

2　裝置原理分析

在如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效率、一對(duì)多的環(huán)節(jié)上，本文采取了建立模型的方法，模擬了基于磁諧振技術(shù)的無線充電裝置的電路模型。為簡化分析過程和減少計(jì)算量，本文將發(fā)生諧振耦合、交換能量的兩空心線圈隔離出來，單獨(dú)進(jìn)行等效分析［4］?；诖胖C振技術(shù)的無線充電裝置等效電路模型如圖5所示。

圖3　高頻逆變電路圖

圖4　單相橋式整流電路圖

圖5　線圈簡意圖

圖5中u為輸入電壓，設(shè)ω為頻率，取線圈在高頻下的電阻分別為R1、R2，線圈在高頻下的電容為C1、C2，線圈自身所產(chǎn)生的電感為L1、L2，RL為假設(shè)負(fù)載回路發(fā)射在線圈上的電阻，兩線圈之間互感系數(shù)為M，兩線圈之間距離為D。

設(shè)發(fā)射端線圈的角頻率為ω，電流的有效值為I1，則可以得到：

并且負(fù)載電流有效值IL、P0輸出功率可表達(dá)為：

式中輸入電壓U與IL成正比。

系統(tǒng)的效率計(jì)算為：

其中P1為發(fā)射端線圈損耗，P2為接收端線圈損耗。

接收端線圈上電流的有效值為：

發(fā)射端線圈損耗P1為：

綜上所述，可得系統(tǒng)效率公式為：

綜上所述，系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)的頻率、輸入電壓、所帶負(fù)載、系統(tǒng)選用線圈參數(shù)以及互感均有關(guān)［5］。如果系統(tǒng)輸入電壓、頻率、互感加以提高，則系統(tǒng)輸出功率也將得以提高?；ジ泻途€圈的品質(zhì)因數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的效率有很大的影響，而傳輸距離又對(duì)互感有一定的限制，故我們可以得出：合適的輸入電壓、頻率、互感對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量傳輸將產(chǎn)生重要的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在整體作品初步完成后，我們進(jìn)行了如下5項(xiàng)測試，結(jié)果分別是：

1）諧振頻率測試：通過改變信號(hào)源頻率觀察示波器反應(yīng)的波形變化，最終確定電感為25.6 μH和25.7 μH的兩個(gè)線圈在330 kHz時(shí)的諧振頻率為10 nF，與實(shí)驗(yàn)計(jì)算值匹配。

2）濾波整流測試：通過信號(hào)源施加330 kHz左右的交流信號(hào)，能得到起伏較小的直流波形。

3）高頻發(fā)生器測試：單片機(jī)提供穩(wěn)定的333 kHz，3.5 vpp的兩相位相反的30%占空比的穩(wěn)定可用波形。

4）高頻逆變電路：通過信號(hào)源提供的300～500 kHz直流反相信號(hào)均能穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)。

5）連接完成后的功率測試：M430輸出波形發(fā)生了變化，猜測可能是電路功能不能很好的匹配導(dǎo)致，能正常傳輸電能。

4　結(jié)論

“一對(duì)多、大功率、高效率”，這對(duì)于無限能量傳輸技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義，著眼未來的無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步要求設(shè)備的高效大功率，這樣才能滿足未來信息技術(shù)設(shè)備發(fā)展對(duì)能量的需求。Powercast公司已經(jīng)研制出可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流電的接收和發(fā)射裝置，此裝置可在約1米范圍內(nèi)為的所有電子裝置的電池進(jìn)行充電［6］。

通過以上的論述，我們可以清楚地認(rèn)識(shí)到無線能量傳輸技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾砸约霸谖磥砜茖W(xué)技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中的廣闊前景，這將會(huì)對(duì)我們的生活學(xué)習(xí)工作的方式產(chǎn)生很多便利的影響。其在大范圍推廣使用中的一些技術(shù)難題正在被逐漸解決，本文主要探討了如何實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多、高效率、大功率”，將對(duì)無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展具有深刻的意義，尤其是民用化具有巨大的意義。

［1］Chwei_Sen Wang，Stie1au O H，Covic G A.Design considerations for a contact1ess e1ectric vehic1e battery charger［J］. IEEE Transactions on Industria1 E1ectronics，2005，52（5）：1308_1314.

［2］戴衛(wèi)力，費(fèi)峻濤，肖健康，等.無線電能傳輸技術(shù)綜述及應(yīng)用前景［J］.電氣技術(shù)，2010（7）：1_6.

［3］甘增俊.低壓大電流直流電源性能改進(jìn)研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2007.

［4］范明.諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.

［5］杜濤.一種用于移動(dòng)身份識(shí)別的近場通信芯片的模擬前端設(shè)計(jì)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［6］黃學(xué)良，譚林林，陳中，等.無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）：416_419.

Contactless charglng deVlce based on the technology of magnetlc resonance

LI Bo1，ZHU Chen_qi1，LIU Jia_min1，HE Jing2，MA Xiao1
（1.School of Physics&Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China；2.Yumen 0ilfield Fangyuan Property Company，Yumen 735000，China）

Aiming at some prob1ems in a widespread civi1 use of the contact1ess energy transmission techniques，based on the 1aboratoria1 mode1，this essay provide a design of one_to_many energy transmission device achieved by the magnetic resonance technique.With scientific ana1ysis and experimenta1 measurement，this essay demonstrates the characteristics of the one_to_ many energy transmission system and the possibi1ity of its use in practica1 app1ication.And the simu1ation resu1ts indicate that this design cou1d operate effective1y in the further inquiry for the one_to_many contact1ess energy transmission technique.

contact1ess energy transmission；one_to_many；magnetic resonance technique；civi1ian use

TN014

A

1674_6236（2016）10_0111_03

2015_06_09稿件編號(hào)：201506095

陜西省自然科學(xué)基金（2014JQ2_6032）；中央高?；穑℅K201503018）

李博（1994—），男，甘肅隴西人。研究方向：無線能量傳輸。