感應(yīng)式無線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)

朱云龍, 余 雷, 劉文杰

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

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感應(yīng)式無線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)

朱云龍, 余 雷, 劉文杰

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)作為一種新型的電能傳輸技術(shù)，利用電磁諧振感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)電能在一定距離范圍內(nèi)傳輸。利用電磁感應(yīng)定律使得無線能量傳輸系統(tǒng)的兩個(gè)線圈在高頻下發(fā)生自諧振，提出了基于線圈耦合感應(yīng)傳輸?shù)碾娔軣o線傳輸技術(shù)，其傳輸電能的特性已達(dá)到一般要求，且實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到的效率也還是可觀的。相對(duì)于傳統(tǒng)的接線式電能傳輸技術(shù)，該技術(shù)更加靈活、安全、可靠，能實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備和用電設(shè)備之間的中程距離電能傳輸。

感應(yīng)式電能傳輸； Boost變換器； 數(shù)字信號(hào)控制器

0 引 言

當(dāng)前，高頻變換技術(shù)和相關(guān)控制理論發(fā)展迅速，而且某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合需要用到電能無線傳輸技術(shù)，這就為電能無線傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展提供了有利條件。就目前而言，電能無線傳輸技術(shù)大致分為電磁感應(yīng)電能、微波電能和諧振耦合電能傳輸技術(shù)。無線電能傳輸，即用電設(shè)備以非接觸方式從固定電網(wǎng)獲取電能的技術(shù)，一直是人類的夢(mèng)想。

新型電能無線傳輸系統(tǒng)應(yīng)用諧振感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能的安全有效傳輸，克服了傳統(tǒng)電能傳輸中的諸多問題和不足。對(duì)該系統(tǒng)的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，而且將開拓大量新領(lǐng)域研究和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[1-5]。磁感應(yīng)諧振式無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，不僅可應(yīng)用于電動(dòng)車充電系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻識(shí)別技術(shù)等方面，還在家用電器、小型移動(dòng)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、交通工具、航空航天、醫(yī)療器械、油田礦井、水下作業(yè)等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)電磁理論和充電技術(shù)的發(fā)展亦具有重要意義。但是諧振感應(yīng)式無線功率傳輸作為一項(xiàng)新興的技術(shù)還不是很成熟，理論與實(shí)驗(yàn)上的研究還不是很完善。本文根據(jù)這一技術(shù)做了一些探索性質(zhì)的研究，研究感應(yīng)式電能無線傳輸?shù)脑硖匦耘c感應(yīng)式無線功率傳輸技術(shù)，并得到了一些有價(jià)值的相關(guān)研究成果。

1 感應(yīng)式無線功率傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 感應(yīng)式無線功率傳輸原理

諧振感應(yīng)式電能無線傳輸?shù)幕驹砼c電磁感應(yīng)式基本相同(見圖1)，都是利用電磁感應(yīng)定律，不同之處在于諧振感應(yīng)式無線能量傳輸系統(tǒng)的兩個(gè)線圈在高頻下發(fā)生自諧振，產(chǎn)生以線圈為中心的以空氣為媒介的時(shí)變磁場(chǎng)，兩諧振線圈之間進(jìn)行不斷能量交換，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。

圖1 感應(yīng)式無線功率傳輸系統(tǒng)框圖

1.2 感應(yīng)式無線功率傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

諧振感應(yīng)式電能無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，電能無線傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括空心線圈及諧振補(bǔ)償電路，高頻逆變電路為線圈提供高頻正弦波電流;相隔一定距離的接收端包括另一空心線圈與諧振補(bǔ)償電路，以及整流濾波電路和消耗電能的負(fù)載[1-2,6]。

圖2 感應(yīng)式無線功率傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中最關(guān)鍵的就是諧振耦合電路，如圖3所示，諧振電路采用的是LC串聯(lián)方式，耦合系數(shù)擬用K=0.1。在電路中，為表示元件間耦合的松緊程度，把兩電感元件間實(shí)際的互感(絕對(duì)值)與其最大極限值之比定義為耦合系數(shù)。

圖3 諧振耦合電路

由于感應(yīng)式無線功率傳輸?shù)膬删€圈間的感應(yīng)介質(zhì)為空氣，耦合程度很小，所以考慮K取0.1。模擬電路中兩感應(yīng)電感對(duì)應(yīng)實(shí)物電路中的兩感應(yīng)線圈，兩電感經(jīng)過測(cè)量：原邊L1=56.8 μH，副邊L2=64.5 μH。實(shí)驗(yàn)做的是低頻實(shí)驗(yàn)，約取頻率20 kHz。

1.3 各電路的實(shí)物圖

(1) 總電路圖。如圖4所示，首先直流電源輸出恒定的電壓12.3 V，通過逆變電路變?yōu)榻涣麟?，此交流電通過耦合線圈感應(yīng)，在副線圈上輸出交流電，此交流電通過整流電路變?yōu)橹绷麟?，在?jīng)過Boost升壓電路(調(diào)理電路)輸出直流電到蓄電池中，完成無線充電的功能[7-9]。

(2) 支架與耦合線圈。如圖5所示，支架由鋁合金材料搭建而成，線圈在支架上可自由地上下左右移動(dòng)，長(zhǎng)30 cm，寬20 cm，高18 cm。線圈是由兩塊透明板固定的，因?yàn)樗芰蠈?duì)耦合系數(shù)的影響不大。線圈匝數(shù)：原線圈12匝，副線圈13匝，內(nèi)寬11.5 cm，長(zhǎng)19 cm，外寬15.5 cm，長(zhǎng)23.5 cm，兩線圈間隔為5.5 cm。

圖4 總電路圖圖5 支架與線圈

(3) 逆變，整流，Boost升壓電路。如圖6所示，逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換成方波交流電，其MOSFET的型號(hào)是75N75。整流電路采用單向全橋整流電路，將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，輸出端使用2.20 mF的電解電容進(jìn)行濾波得到紋波很小的直流電壓。整流橋使用了100 V 20 A的快恢復(fù)整流二極管。

Boost升壓電路的作用通過改變MOSFET的PWM波占空比控制其輸出電壓，其中用了100 V 80 A的MOSFET，100 V 30 A的快速整流二極管。

圖6 主要組成電路

2 感應(yīng)式無線功率傳輸裝置的軟件設(shè)計(jì)

無線功率傳輸系統(tǒng)采用dsPIC33FJ06GS101芯片為控制核心，系統(tǒng)的發(fā)射邊使用了一塊DSP進(jìn)行全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)控制，由于原邊的開關(guān)頻率一定，故只需要使用恒定頻率的PWM即可[10-12]。

副邊DSP軟件設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)改變PWM波的占空比來改變整流橋輸出電壓。軟件程序主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序和PI控制子程序。主程序完成的是初始化工作；中斷服務(wù)子程序主要完成的是采樣以及數(shù)據(jù)處理輸出等工作；PI控制子程序主要完成的是對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理并計(jì)算控制器的輸出。

主程序中主要是對(duì)DSP和ADC進(jìn)行初始化工作以及對(duì)變量進(jìn)行定義。主程序的循環(huán)里主要完成中斷服務(wù)子程序的跳轉(zhuǎn)工作。中斷服務(wù)子程序包括定時(shí)器中斷和ADC中斷，定時(shí)器中斷主要任務(wù)是定時(shí)，定時(shí)時(shí)間一到就清除中斷標(biāo)志。而ADC中斷程序的作用是讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并調(diào)用PI子程序，改變PWM占空比從而控制系統(tǒng)的輸出。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常采用數(shù)值逼法實(shí)現(xiàn)PID控制律。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠蘙1-2,12-13]。

3 實(shí)物調(diào)試及數(shù)據(jù)

當(dāng)兩線圈在某一頻率下會(huì)發(fā)生諧振，這時(shí)感應(yīng)的效率是最高的。于是實(shí)驗(yàn)了頻率與效率的關(guān)系，這時(shí)除去這2個(gè)條件外，所有的其他條件都不變化。圖9為效率與輸入端頻率的關(guān)系圖。由圖9可以看出，當(dāng)輸入端頻率為22.196 53 kHz時(shí)，其效率值最高。

圖9 效率與輸入端頻率的關(guān)系圖

Boost升壓器中的MOSFET是由PWM波驅(qū)動(dòng)的，其中，PWM波的占空比D與U1、U2滿足相應(yīng)的關(guān)系式。如果U1確定，變化D，則U2變化；如果U2確定，變化D，則U1變化；而且D越小，U2/U1就越小。

圖10為D與效率的關(guān)系圖?？梢钥闯?，占空比的變化還是對(duì)效率有一定的影響的，但影響不是很大，得到的效率還是比較穩(wěn)定的，約在67%。

4 結(jié) 語

利用電磁感應(yīng)定律研究了感應(yīng)式無線功率傳輸?shù)?/p>

圖10 占空比D與效率的關(guān)系圖

原理特性與感應(yīng)式無線功率傳輸技術(shù)，通過各種數(shù)據(jù)的收集并與軟件仿真進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)于傳統(tǒng)的接線式電能傳輸技術(shù)，該技術(shù)更加靈活、安全、可靠，能實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備和用電設(shè)備之間的中程距離電能傳輸，具有無方向性、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是有些問題還有待研究，比如：①硬件實(shí)驗(yàn)中可以進(jìn)一步研究線圈之間的距離對(duì)傳輸效率的影響，以及在此基礎(chǔ)上改善電路結(jié)構(gòu)使得只能在近距離才能有效傳輸能量的狀況，在遠(yuǎn)距離下也能得到較高效率的電能傳輸。②進(jìn)一步研究主副線圈的材質(zhì)以及匝數(shù)對(duì)傳輸效率的影響，進(jìn)而找到性價(jià)比相對(duì)比較高的材質(zhì)用來進(jìn)行電能的無線傳輸。

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Design of Inductively Wireless Power Transmission Apparatus

ZHUYun-long,YULei,LIUWen-jie

(School of Mechanical and Electric Engineering; Soochow University, Suzhou 215021, China)

A new technology of inductively wireless power transmission has been investigated, it uses electromagnetic resonance induction principle to transport energy within a certain distance. Using electromagnetic induction law, the two coils of the wireless energy transmission system occur self-resonance at a high frequency. Wireless power transmission technology has been proposed based on the induction of coil coupled. The characteristic of its power transmission has reached the general requirements and the efficiency obtained from actual measurement data is very considerable. Compared with the traditional wired power transmission technology, inductively wireless power transmission technology is more flexible, secure and reliable, and can achieve power transmission within medium distance between powered equipment and power equipment.

inductively wireless power transmission; Boost converter; digital signal controller

2015-07-29

國家自然基金項(xiàng)目(61263005)；蘇州市科技計(jì)劃-工業(yè)支撐項(xiàng)目(SG201319)

朱云龍(1990-),男,江蘇蘇州人，碩士生,主要研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

余 雷(1983-),男,安徽廣德人，博士,副教授,主要研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)，智能控制技術(shù)等。E-mail:slender2008@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)05-0060-03