磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)研究*

蔡昕晨 李紀(jì)嫻 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

傳統(tǒng)的以輸電線傳輸電能的方式，不可避免地存在輸電線路磨損、接觸火花和布線不便等問題．因此，發(fā)展無線電能技術(shù)是解決傳統(tǒng)有線輸電限制的重要途徑．磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸，并具有傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸效率較高等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步的應(yīng)用提供參考．

1 系統(tǒng)模型建立

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)脑矸治龇椒煞譃閮煞N：耦合模理論(CMT)和等效電路理論．耦合模理論從系統(tǒng)的能量角度進(jìn)行分析，比較抽象、不易理解；等效電路理論是通過系統(tǒng)電路搭建物理模型，結(jié)合等效參數(shù)完成原理分析，易于理解．磁耦合諧振式可分為4種等效電路模型：串聯(lián)-串聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)、并聯(lián)-并聯(lián)．本文對(duì)串聯(lián)-并聯(lián)理論進(jìn)行分析．

根據(jù)磁耦合諧振系統(tǒng)的傳輸模型建立如圖1所示的等效電路圖．US為高頻激勵(lì)源電壓；RS為高頻激勵(lì)源內(nèi)阻；L1，L2為發(fā)射和接收線圈的等效電感；R1，R2為發(fā)射和接收線圈在高頻下的等效電阻；C1為發(fā)射線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容，C2為接收線圈的并聯(lián)補(bǔ)償電容，M12為發(fā)射和接收線圈的互感耦合系數(shù)；RL為負(fù)載電阻．

圖1 等效電路圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，系統(tǒng)電路主要包括全橋逆變電路，整流濾波電路，采樣電路及電源電路．

2.1 全橋逆變電路

全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為交流電為發(fā)射端提供高頻激勵(lì)源，電路如圖2所示．電路采用兩塊半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104組成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)；MOS管采用IRF840，其具有驅(qū)動(dòng)電流大耐壓值高、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)．

圖2 全橋逆變電路圖

2.2 整流濾波電路

全橋整流電路采用MBRF30100CT肖特基二極管，具有耐高壓、低導(dǎo)通電壓、低阻抗等特性．二極管采用兩兩并聯(lián)的方式連接，有效地降低二極管的內(nèi)阻，減少電路中的損耗，電路如圖3所示．

圖3 整流濾波電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的核心是SPWM程序的編寫，SPWM是脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形，也稱正弦脈寬調(diào)制，按調(diào)制脈沖極性關(guān)系可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種．本系統(tǒng)采用雙極性SPWM，通過STM32F103C8T6的高級(jí)定時(shí)器TIMER1產(chǎn)生兩組互補(bǔ)PWM，普通定時(shí)器TIMER3控制正弦波周期，在每個(gè)正弦波周期內(nèi)，將生成的512個(gè)點(diǎn)的正弦表依次賦給TIMx_CCRx寄存器從而產(chǎn)生出雙極性SPWM波．

4 結(jié)論

本文基于磁耦合和諧振的物理原理，設(shè)計(jì)出了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過

STM32正弦脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)逆變，利用發(fā)射線圈與接收線圈的電磁耦合作用實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示．通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在傳輸距離為10 cm時(shí)傳輸效率達(dá)60%；負(fù)載為1W LED時(shí)，傳輸距離可達(dá)1 m．該設(shè)計(jì)具有傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸效率較高、易于操作、可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)．

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

1 范興明,莫小勇,張?chǎng)?無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2 584～2 600

2 閆蕾蕾,楊永鵬,冷文鵬,等. 兩線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)男恃芯? 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 30 (01) : 21～37

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5 劉貴云,林偉冬,黎家俊,等.磁耦合諧振無線電能傳輸研究現(xiàn)狀及趨勢(shì).廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017(06):48～56