一種用于無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的磁耦合天線(xiàn)

李瓊+陳穎+王福艷

摘要：該文介紹了一種采用磁耦合共振方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)穆菪炀€(xiàn)，該天線(xiàn)的諧振頻率為19.3MHz，在傳輸距離為18cm時(shí)，具有70%以上的傳輸效率，證明了該天線(xiàn)用于強(qiáng)磁耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸時(shí)具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較高的傳輸效率。

關(guān)鍵詞：磁耦合；共振系統(tǒng)；螺旋線(xiàn)圈；傳輸效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0261-03

1 概述

據(jù)中國(guó)無(wú)線(xiàn)充電行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告預(yù)測(cè)，全球無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)將在未來(lái)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。電動(dòng)車(chē)技術(shù)發(fā)展至今已持續(xù)一段時(shí)間，電池容量、壽命、充電時(shí)間與充電設(shè)備普及等問(wèn)題與電動(dòng)車(chē)行駛里程、充電時(shí)間和充電便利性密切相關(guān)。電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)或許是解決這些問(wèn)題的辦法。

電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的發(fā)展，可分為多種不同類(lèi)型，但無(wú)論哪種技術(shù)，其傳輸效率是使用者最關(guān)心的參數(shù)之一，也是無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)最重要的議題之一，因此課題針對(duì)共振式無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)的共振線(xiàn)圈進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以期實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。

2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)

一般無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為發(fā)送端與接收端兩個(gè)子系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)，發(fā)送與接收線(xiàn)圈設(shè)計(jì)一致。市電經(jīng)由AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再由DC/AC轉(zhuǎn)換器將電力轉(zhuǎn)換為所需電壓的交流電，其中最重要的是需與發(fā)送/接收線(xiàn)圈的共振頻率匹配，才能達(dá)到較好的傳輸效率。激勵(lì)發(fā)送線(xiàn)圈可使其共振而產(chǎn)生一個(gè)共振磁場(chǎng)，若接收線(xiàn)圈置于磁共振磁場(chǎng)內(nèi)，則會(huì)受到激勵(lì)而產(chǎn)生共振，在線(xiàn)圈上產(chǎn)生電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電力傳輸。以一般應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)的負(fù)載需要直流電，所以需要整流器，然后由DC/DC轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓標(biāo)準(zhǔn)，例如一般手機(jī)充電為5V。

2.2 等效電路分析

無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的等效電路如圖2所示，磁共振耦合由LC共振產(chǎn)生、經(jīng)由電磁耦合進(jìn)行電力傳輸，沒(méi)有輻射電磁波，因此，磁耦合與電耦合可分別以互感和互容代表。

圖中L與C 分別為線(xiàn)圈的自感值與電容值，由系統(tǒng)的分布參數(shù)決定，兩線(xiàn)圈的耦合以互感（Lm ）表示，Z0表示特性阻抗，線(xiàn)圈的電阻損失與輻射損失以R表示。傳輸系數(shù)S21如式（1）所示，其中w為系統(tǒng)工作的角頻率，由于線(xiàn)圈的R值相對(duì)較小故可忽略不計(jì)，Z0為系統(tǒng)的特性阻抗，其值為50Ω，因此S21可被表示為：

2.3仿真結(jié)果

本文論述的磁耦合無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)天線(xiàn)如圖3所示，振線(xiàn)圈構(gòu)型為螺旋形，且為開(kāi)路型式。線(xiàn)圈所使用的導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑為3.2mm，線(xiàn)徑大可以降低內(nèi)阻，提高傳輸效率。線(xiàn)圈的半徑為150mm。

按預(yù)設(shè)參數(shù)使用Ansoft HFSS13進(jìn)行系統(tǒng)仿真，圖4至圖8顯示了仿真結(jié)果。圖4顯示，當(dāng)收發(fā)天線(xiàn)間距離為150mm時(shí)，正如公式（3）和（4），天線(xiàn)有兩個(gè)諧振頻率。而圖5至圖7顯示，收發(fā)天線(xiàn)間距離為180mm時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-1.396dB，傳輸效率為72.6 %；距離為200mm時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-1.53dB，傳輸效率為70.6 %；距離為260mm時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-3.39dB，傳輸效率為45.8 %。結(jié)果表明，隨著收發(fā)天線(xiàn)間距離的增加，兩個(gè)諧振頻率逐漸靠近最后合為一個(gè)工作頻率，傳輸效率也是先增大后減小。

2.4實(shí)測(cè)結(jié)果

按預(yù)定參數(shù)制成的線(xiàn)圈如圖8所示，線(xiàn)圈的特性用向量網(wǎng)路分析儀進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)圖如圖9所示，經(jīng)實(shí)測(cè)發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的容抗和感抗在共振頻率時(shí)值非常接近。線(xiàn)圈實(shí)測(cè)的傳輸距離與效率之間的關(guān)系如圖10所示。傳輸距離18cm時(shí)，線(xiàn)圈間的最大傳輸效率為72.6%，當(dāng)傳輸距離增加至26cm，傳輸效率降至45.6%。另外，當(dāng)傳輸距離小于或大于18cm，系統(tǒng)傳輸效率都會(huì)漸漸減少，此為磁共振充電系統(tǒng)的特性。

進(jìn)行電力傳輸實(shí)測(cè)的無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)如圖11所示，功率放大器使用射頻放大器，最大輸出功率為1kw，輸出阻抗為50Ω，用5個(gè)60W的燈泡作為負(fù)載，以明示無(wú)線(xiàn)電力傳輸效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)共振的方式提高了無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的效率，提高了傳輸距離，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和理論分析得出，即使相同的電路接法，在不同頻率的電路中，傳輸效率和傳輸距離差異也比較大，只有當(dāng)頻率接近且發(fā)生共振時(shí)無(wú)線(xiàn)輸電效率才比較高。

參考文獻(xiàn)：

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