基于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)腖ED技術

1.閆永生 2.聶叢偉

1、河北立德電子有限公司 2、河北師范大學科學技術哲學

基于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)腖ED技術

1.閆永生 2.聶叢偉

1、河北立德電子有限公司 2、河北師范大學科學技術哲學

針對現(xiàn)目前迅猛發(fā)展的LED照明燈具通常是由光源部分與驅動電源兩部分構成，即電氣連接多采用開關、簧片觸點或者接線端子等方式，該連接方式在長期多次使用或者是在潮濕、不斷振動等惡劣環(huán)境下，開關觸點部分會發(fā)生氧化，導致觸點接觸電阻增大引起高溫發(fā)熱甚至打火導致火災，本文介紹了一種基于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)腖ED技術。在一定程度上解決了這一難題，該技術具有一定的前瞻性，具有很好的推廣前景。

磁耦合諧振；無線傳能；LED技術

1、序言

起源于20世紀后半葉的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，初見端倪于20世紀末半導體顯示得到普遍應用之后的不斷突破，半導體照明進入新世紀以后得到長足發(fā)展。半導體照明產業(yè)作為一種新興產業(yè)，其產品光效高、能耗低，色溫覆蓋廣、易控制等優(yōu)點，是未來照明的發(fā)展趨勢。［1］隨著科學技術的發(fā)展，電能傳輸已經(jīng)有線方式，逐步轉向無線方式的研究。目前，根據(jù)電能傳輸?shù)脑?，無線電能傳輸有三種類型，分別是：

第一類是電磁感應耦合式（ICPT），主要是利用電磁感應的原理，通過采用較松耦合變壓器或者是通過采用可分離變壓器方式實現(xiàn)電能的無線傳輸。這種非接觸式充電技術在許多便攜式終端里應用日益廣泛。這種類型中，將兩個線圈放置于鄰近位置上，當電流在一個線圈中流動時，所產生的磁通量成為媒介，導致另一個線圈中也產生電動勢。這種感應耦合式傳輸功率的容量可達數(shù)百千瓦，小尺度障礙物也不會對其功率傳輸帶來大的影響，但是傳輸?shù)木嚯x卻很近，大概只有幾個厘米。

第二類是微波無線能量傳輸技術，是最接近實際應用的一種技術，它直接應用了電磁波能量可以通過天線發(fā)送和接收的原理。這和100年前的收音機原理基本相同：直接在整流電路中將電波的交流波形變換成直流后加以利用，但不使用放大電路等。一般微波方式目前傳輸距離最遠，傳輸功率也最大，而且可以克服障礙物的影響，但是在能量傳輸過程中，發(fā)射器必須與接收器準確，否則能量傳輸在方向上受限制。

第三類是磁耦合諧振方式， 也被稱之為WiTricit（wirelesselectricity）技術。作為一個新的無線電能傳輸技術，磁耦合諧振式基于近場強耦合的概念，基本原理是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可以實現(xiàn)高效的能量交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。諧振技術在電子領域應用廣泛，但是，在供電技術中應用的不是電磁波或者電流，而只是利用電場或者磁場。2006 年11月，美國麻省理工學院（MIT）物理系助理教授Marin Soljacic的研究小組全球首次宣布了將電場或者磁場應用于供電技術的可能性。目前國內外在電磁耦合諧振式無線電能傳輸方面的研究都還處于理論研究和初步實驗階段，還有很多問題亟待解決，比如傳輸功率、效率和距離的問題，電能計量問題，電磁兼容問題，生物安全問題等。

2、LED燈具技術

在優(yōu)化磁耦合無線傳能方式的供電部分后，對LED燈具的研制技術同樣具有意義。要想研制出一款性價比較高的LED燈具，LED的光源選擇是必須慎重考慮的。LED光源具有效率高、壽命長的特點，近些年廣泛被人們所認可。LED光源一般包括支架、芯片、固晶膠、灌封膠、熒光粉，芯片是借助固晶膠固定在底板上的。但現(xiàn)有的LED光源芯片底部的固晶膠厚17-23um，LED封裝后熱阻達到45～50℃/W，熱阻高，芯片衰減快，減少了LED的使用壽命。通過我公司自主開發(fā)的光譜合成分析軟件。在試驗分析的基礎上得到了LED光源的較高指標：光效大于150lm/W，色溫在5000K附近，顯色指數(shù)90的優(yōu)質光源。

選擇合適的鋁基板及配套透鏡，很好的實現(xiàn)了照度均勻，炫光低的光學系統(tǒng)的研制也使得燈具與同行業(yè)LED燈具比較具有很大優(yōu)勢。特殊的散熱設計，極大低降低了LED工作時的節(jié)溫。延長了燈具壽命。

3、系統(tǒng)的功能示意圖

基于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)腖ED技術功能示意圖所描述，這樣的LED燈具包括：LED照明模塊，包括LED驅動電路和LED光源，用于通過LED燈提供照明；無線能量發(fā)射模塊、無線能量接收模塊，與LED照明模塊，用于為LED照明模塊提供電能；無線傳能模塊，用于通過電磁耦合的方式與LED燈具實現(xiàn)能量傳輸。將兩部分分別密封，能夠有效避免外界的水分或腐蝕氣體侵蝕電器部件，避免造成漏電危險和電能浪費，更換LED 燈組時，只需將損壞的燈組去取下，將新的燈組移動到供電模塊附近并固定，就能完成更換，方便快捷。

4、偵測技術

該照明技術的偵測技術有偵測模塊實現(xiàn)。偵測模塊包括接近傳感器及與接近傳感器的輸出端連接的繼電器，繼電器設置在驅動電路的電能輸入端。在實際使用時，如果LED用電模塊不在工作范圍內，供電模塊會一直空載工作，造成大量的電能浪費，為了進一步解決這種電能浪費問題，所述的偵測模塊包括接近傳感器及與接近傳感器的輸出端連接的繼電器，繼電器設置在驅動電路的電能輸入端。借助接近傳感器來探測是否有用電模塊在附近，如果接近傳感器沒有探測到有用電模塊，則繼電器切斷驅動電路的電能輸入，停止供電模塊的工作。進一步的，為了適應短時間更換用電模塊的情況，所述的繼電器為延時繼電器，在移除用電模塊后，在繼電器的延續(xù)時間內，更換完畢，避免頻繁切斷電源，防止設備因啟停帶來的電流波動損傷用電器件。

5、結語

本文介紹一種基于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)腖ED技術，可以解決在其他一些特定的惡劣環(huán)境中，比如礦井中使用的燈具，為避免開關打火導致瓦斯爆炸，有很高的防爆、防水等要求，電線引入結構也會使燈具產生較高的成本，現(xiàn)場維護成本更高。 另外，由于燈具是一體結構，當出現(xiàn)故障時，需要現(xiàn)場斷電，整體更換或現(xiàn)場維修，而這又對現(xiàn)場維護人員的素質提出了比較高的要求。通過這種技術的研究和實踐，很好解決了上述問題。具有很好的推廣價值。

［1］聶叢偉 郭冬冬 半導體照明產業(yè)存在的問題及對策科技風2016年8月下。

［2］張青 聶叢偉無線傳能技術設計要點 科技風2016年9月下。