彈載存儲測試儀無線充電技術研究

韓曉斐，范錦彪，王 燕

（中北大學 電子測試技術重點實驗室 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

通過非物理接觸使得電能得以傳輸?shù)姆绞郊礊闊o線充電。人類率先實現(xiàn)了無線通訊與無線網(wǎng)絡，而無線充電正是繼它們之后的第三次無限革命，這意味著時代的進步，是一項具有基礎性意義的前沿科技[1]。無線充電有很廣泛的跨產(chǎn)品應用，可以用在電動牙刷、電動剃須刀等小家電中，還可以用于手機[2]、平板等的充電，最先進的可以為汽車進行無線充電[3]。

彈載存儲測試儀也可以利用無線充電技術免去開蓋充電的麻煩，達到便捷、安全的無線充電效果。

1 無線充電技術的原理

目前有4種方法可以實現(xiàn)無線充電，分別是磁共振式、電磁感應式、無線電波式、電場耦合式[4]。這4種充電方式的選取需要根據(jù)其使用環(huán)境、充電距離、充電效率等各自的特點進行考慮。

1.1 磁共振、無線電波、電場耦合

磁共振無線充電系統(tǒng)是由2個模塊組成，分別是發(fā)送模塊和接收模塊。當發(fā)送模塊的頻率與接收模塊的頻率一致時就會產(chǎn)生共振，從而可以實現(xiàn)能量的交換，達到無線充電的目的[5]。要想實現(xiàn)基于磁共振式的無線充電，改裝的發(fā)送模塊和接收模塊均需要直徑較大的線圈，而彈載存儲測試儀的裝置本身以及其使用要求均無法滿足這個大線圈所需要的空間，實現(xiàn)難度較大。

基于無線電波技術的無線充電系統(tǒng)由3個部分組成，分別是微波產(chǎn)生裝置、微波發(fā)射裝置和微波接收裝置[6]。通過無線電波技術進行無線充電的優(yōu)點是高頻率的微波可以通過電離層，不會反射，這樣其傳輸效率極高，但是其空間占用較大，因而該裝置不適用于彈載存儲測試儀的無線充電。

電場耦合技術的無線充電原理與其他的充電方式完全不一樣，它是通過電場進行無線充電。它的充電原理是通過2組非對稱偶極子沿垂直方向耦合產(chǎn)生的感應電場來傳輸電力。這種充電方式成本高、體積大，不適合應用于彈載存儲測試儀。

1.2 電磁感應技術

本次研究的內(nèi)容是采用電磁感應式的無線充電技術對彈載存儲測試儀進行無線充電。電磁感應式的無線充電方式應該是目前最為成熟、普遍的充電方式。其根本原理就類似于一個變壓器[7]。裝置內(nèi)含有2個線圈，分別置于發(fā)射端與接收端。將一定頻率的交流電通到發(fā)送端的線圈上，由于接入的交流電的不斷震蕩而產(chǎn)生磁場，進而通過線圈耦合使得接收的線圈中產(chǎn)生相應的電壓，從而將能量從傳輸端轉移至接收端[8]。

2 彈載存儲測試儀的無線充電設計

由于彈載存儲測試儀的面板較小，目前最小的面板大小如同一角硬幣，在其上加上電源充電插口占用面積較大[9]，如圖1所示。在根據(jù)彈載存儲測試儀殼體形狀、材質等自身要求，對于彈載存儲測試儀的無線充電設計了其結構圖。如圖2為彈載存儲測試儀無線充電器的設計圖。

圖1 彈載存儲測試儀的面板Fig.1 Panel of a missile borne storage tester

圖2 彈載存儲測試儀無線充電的設計Fig.2 Design of wireless charging for missile borne storage tester

基于電磁感應式的彈載存儲測試儀的無線充電設計主要包括三部分，即能量發(fā)送端、非接觸式線圈耦合、能量接收端。交流電通過高頻逆變電路產(chǎn)生高頻的交變信號，它驅動發(fā)送線圈在周圍空間形成一個比較穩(wěn)定的交變磁場，接受線圈通過耦合就會產(chǎn)生感應電動勢，這樣就得以給負載供電[10]。

3 影響無線充電效率的各參數(shù)分析

3.1 無線充電傳輸原理分析

當無線充電模塊的工作頻率等于其發(fā)送端、接收端電感電容的固有諧振頻率時[11]，能量就可以通過系統(tǒng)諧振從發(fā)射端傳輸至接收端，該系統(tǒng)可以等效為如圖3的電路圖。

圖3 等效的無線充電原理圖Fig.3 Equivalent wireless charging schematic

利用基爾霍夫電壓定律根據(jù)等效的無線充電原理圖可以分別寫出發(fā)射端與接收端的電壓以及電流方程，由此就可以得到發(fā)射端的輸入功率Ps和接收端的輸出功率Po[12]，即：

由式（1）、（2）可以得出充電效率 η：

發(fā)射線圈、接收線圈的互感M、耦合系數(shù)k、發(fā)射端電感Ls以及接收端電感Lr之間的關系為

將式（4）代入式（3）中得：

由式（5）可以看出，無線充電的傳輸效率與系統(tǒng)的固有頻率，發(fā)射、接收線圈的耦合系數(shù)，發(fā)射端接收端的電感Ls、Lr等有關。R1、R2、RL分別為發(fā)射端、接收端、負載的等效電阻。

3.2 Matlab對各參數(shù)的仿真分析

本文以彈載測試存儲儀為待充電對象，其阻值RL等效為20 Ω。無線充電的發(fā)射模塊、接收模塊等效電阻R1、R2為 0.3 Ω、0.1 Ω，結合式（5）通過 Matlab仿真，分析無線充電效率與其他各參數(shù)的關系。

3.2.1 電效率與發(fā)射端、接收端電感的關系

在保證除發(fā)射端電感Ls和接收端電感Lr之外其他因素不變的情況下，將各參數(shù)代入式（5），分析得出無線充電效率與發(fā)射端、接收端電感的關系如圖4所示。

圖4 無線充電效率與發(fā)射端、接收端電感的關系Fig.4 Relationship between wireless charging efficiency and transmitter and receiver inductance

由圖4可以分析出，無線充電效率隨著發(fā)射端、接收端電感的增大而逐漸增大。在發(fā)射端、接收端電感均為200 μH時，其充電效率可達94%以上。由于彈載存儲測試儀在使用時其配重有嚴格的要求，故無線充電系統(tǒng)的接收模塊越輕越好。在發(fā)射端電感選擇一個較大的值時，發(fā)射端電感逐漸增大，無線充電效率的增幅并不是很明顯。綜上所述，在彈載存儲測試儀的無線充電系統(tǒng)中發(fā)射端選擇較大電感，接收端可以根據(jù)實際情況選擇較小的電感。

3.2.2 充電效率與耦合系數(shù)k的關系

利用Matlab仿真做出充電效率與耦合系數(shù)k、輸出功率P的關系如圖5、圖6所示。

圖5 充電效率與耦合系數(shù)的關系Fig.5 Relationship between the charge efficiencyand the coupling coefficient

圖6 輸出功率與耦合系數(shù)的關系Fig.6 Relationship between the output power and the coupling coefficient

耦合系數(shù)是影響無線充電效率非常重要的一個因素，由圖5、圖6可以分析出，耦合系數(shù)太大，無線充電系統(tǒng)輸出功率會逐漸減小，耦合系數(shù)太小，無線充電系統(tǒng)充電效率太低。因此，可選取彈載存儲測試儀無線充電線圈的耦合系數(shù)范圍為0.06～0.125。耦合系數(shù)與兩線圈間的距離、兩線圈中心偏移程度等有關。而在彈載存儲測試儀的無線充電系統(tǒng)中，由于彈載存儲測試儀外殼是鋁殼，接收線圈置于裝置內(nèi)部，其耦合系數(shù)還與兩線圈間所隔鋁片的厚度有關。

4 無線充電的仿真

借助UG、Workbench聯(lián)合仿真，通過改變兩個線圈間的距離、兩個線圈中心的相對偏移程度以及兩個線圈中間所隔鋁片的厚度對彈載存儲測試儀無線充電的磁場環(huán)境進行了模擬分析。仿真時給發(fā)射線圈電流激勵，通過接收線圈的磁場強度就可大致分析出適合彈載存儲測試儀無線充電線圈的對應參數(shù)。

4.1 無線充電線圈的設計及相關參數(shù)設置

彈載存儲測試儀內(nèi)部空間比較緊湊，因而要求無線充電的接收線圈實現(xiàn)輕薄化、小型化。發(fā)射線圈處于裝置外側，故對其體積大小要求不那么嚴格，采用較接收線圈大一點的線圈作發(fā)射線圈。如圖7為彈載測試存儲儀的無線充電線圈的設計。

圖7 彈載測試存儲儀的無線充電線圈的設計Fig.7 Design of wireless charging coil for missile borne test storage device

本文設計的發(fā)射線圈外徑135mm，內(nèi)徑125 mm，匝數(shù)為6。接受線圈外徑43 mm，內(nèi)徑4 mm，匝數(shù)為40。兩個線圈的厚度均為0.8 mm。

4.2 無線充電線圈間距對磁場的影響

在垂直于磁感應線圈平面，對兩線圈間距分別為10 mm～100 mm條件下的磁場強度分布狀況進行仿真，如圖8所示。為便于分析對比，從上到下有9種顏色來區(qū)分磁場強度的大小。

圖8 線圈不同間距磁場分布Fig.8 Magnetic field distribution at different distances between coils

由圖8（d）可以看出，隨著兩線圈間距的增大，接收線圈上的磁場強度有明顯的減小，因而，彈載存儲測試儀無線充電裝置的兩個線圈間的距離應盡量減小。

4.3 兩個不同偏移距離對磁場強度的影響

在兩線圈垂直距離不變的條件下，分析兩線圈中心相對偏移距離為0 mm～70 mm對磁場強度的影響，如圖9所示。

根據(jù)仿真結果可以分析出在同一水平面上，接收線圈距離發(fā)射線圈中心越近，磁場強度越強，偏移距離在10 mm～35 mm之間接收線圈上的磁場強度變化程度不大，在滿足一定充電效率要求的條件下，可選擇出10 mm～35 mm的允許充電范圍。

圖9 線圈不同中心偏移距離磁場分布Fig.9 Magnetic field distribution of different center offset distance of coils

4.4 不同鋁片厚度對磁場強度的影響

在兩線圈間距以及偏移程度不變的情況下，分別對0 mm～3 mm的鋁片厚度對磁場強度的影響進行仿真，如圖10所示。

圖10 線圈間隔不同鋁片厚度磁場分布Fig.10 Magnetic field distribution of different thickness of aluminum sheet in coil interval

彈載存儲測試儀在使用時是置于子彈內(nèi)部，它測量的加速度過載小至幾個g，大至幾萬g，因此它的殼體材質、厚度均由其使用環(huán)境所決定。而無線充電只可應用于測量小g值的彈載存儲測試儀，并且要求彈載存儲測試儀的殼體是鋁質材料，殼體鋁片的厚度直接影響無線充電效率。所以，選擇既不影響充電效率又滿足彈載存儲測試儀使用要求的殼體厚度尤為重要。經(jīng)Workbench仿真、Matlab分析可知鋁片厚度在2.5 mm以內(nèi)，接收線圈的磁場強度在2.18 A/m以內(nèi)，在實際選取殼體厚度時可考慮2 mm左右的鋁片厚度。

5 結語

本文主要研究彈載存儲測試儀的無線充電技術，其充電方式選擇電磁感應式的無線充電。這種充電方式既可以節(jié)省彈載存儲測試儀面板上本身的空間，又使得裝置充電簡單便捷，同時可以避免電力傳送單元外露，具有安全性、耐用性。通過Matlab分析，彈載存儲測試儀無線充電發(fā)射模塊選擇大電感，接收模塊選擇小電感。通過研究耦合系數(shù)對無線充電效率、輸出功率的關系，得出彈載測試存儲儀線圈間耦合系數(shù)值應在0.06～1.25之間。同時對影響線圈耦合因數(shù)的幾個參數(shù)利用Workbench進行了仿真，結合實際情況，彈載測試存儲儀的無線充電要求兩線圈距離盡量接近，中心偏移距離在10mm～35mm的范圍內(nèi)，殼體底座厚度在2mm左右。