小功率短距離無線電能傳輸技術(shù)研究

陳煌林

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州 363000)

隨著電子工藝技術(shù)的提高，電子產(chǎn)品的智能化、微型化成為了趨勢。由于傳統(tǒng)電能傳輸方式存在導(dǎo)線占用空間、導(dǎo)線易老化等一列問題，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)日益集成化的今天，無線電能傳輸這種新型的技術(shù)越來越受到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注[1]。

目前主流的無線電能傳輸技術(shù)有三種形式：一是電磁感應(yīng)式無線電能傳輸方式。該方式基于電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能無線傳輸。該傳輸方式具有傳輸效率高的優(yōu)點，但其傳輸距離很近，適合短距離傳輸電能；二是磁耦合諧振式無線電能傳輸方式，該方式利用電路中電感、電容諧振原理實現(xiàn)電能無線傳輸，該傳輸方式具有傳輸功率大、傳輸距離較遠的優(yōu)點，但也存在由于頻率分裂傳輸系統(tǒng)容易失諧，導(dǎo)致傳輸效率較低等問題；三是微波無線電能傳輸方式，該傳輸方式利用無線電波收發(fā)原理實現(xiàn)電能無線傳輸，該傳輸方式具有傳輸距離遠、功率較大的優(yōu)點，但其效率極低，而且大功率傳輸時會對人體造成傷害，目前主要應(yīng)用在空間太陽能電站的無線電能傳輸。這三種無線電能傳輸方式各有其應(yīng)用局限性，如何提高傳輸效率是該領(lǐng)域的難點也是亟待解決的技術(shù)瓶頸問題，一直制約著無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[2-4]。

為了獲得較高的傳輸效率，本文針對小功率短距離的無線電能傳輸技術(shù)進行研究，并制作了試驗系統(tǒng)進行驗證[5-8]，該系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)無線電能傳輸方式進行設(shè)計。

1 無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

圖1 電磁感應(yīng)無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐?/p>

電磁感應(yīng)式無線電能傳輸是指以電磁感應(yīng)耦合方式來傳輸電能，該系統(tǒng)包含兩個互感線圈，其中發(fā)射線圈與電源相連接，接收線圈與負載相連接。電流通過發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場，對附近的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而產(chǎn)生電流，實現(xiàn)電能無線傳輸。電磁感應(yīng)無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ腿鐖D1所示，該電路模型包含兩個閉合回路，左側(cè)為發(fā)射端回路，右側(cè)為接收端回路。

當(dāng)左側(cè)發(fā)射端回路接通交流電源Us后，將通過線圈L1產(chǎn)生向外的磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈L2產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進而在右側(cè)接收端回路的負載RL上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在兩回路中加入補償電容C1、C2可減少漏感所導(dǎo)致的功率損失，提高功率輸出和能量傳輸效率[9-16]。根據(jù)圖1所示初級線圈和次級線圈的阻抗Z1、Z2分別為：

(1)

由基爾霍夫定律可得方程：

(2)

由(2)式可得：

(3)

負載輸出功率PL和電壓源輸出功率Pout分別為：

(4)

傳輸效率可表示為負載輸出功率PL和電源輸出功率Pout的比值：

(5)

(6)

因此,結(jié)合式(5)和(6)可得：

(7)

其中，M為發(fā)送圈和接收線圈之間互感[16]：

(8)

其中，n1、n2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)；r1、r2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的半徑；d為兩線圈的距離。結(jié)合式(7)和(8)可知，該等效電路的傳輸效率與互感系數(shù)、電感頻率、兩端內(nèi)阻、負載電阻有關(guān)，在頻率、電阻不變的情況下，線圈間的距離越近，互感越大，傳輸效率越低。電磁感應(yīng)電能無線傳輸?shù)男逝c很多因素有關(guān)，其中線圈負責(zé)轉(zhuǎn)化電流能量為磁能,最后通過空間傳輸，是傳輸效率的重要影響因素。為此，有必要對線圈設(shè)計進行分析。

2 線圈的設(shè)計

電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)利用發(fā)射線圈和接收線圈之間的電磁感應(yīng)傳輸電能。一般情況下，發(fā)射線圈與接收線圈圈尺寸接近，收發(fā)兩線圈之間的距離小于線圈的直徑，能夠得到較高的傳輸效率。收發(fā)兩線圈電磁感應(yīng)示意圖(源自WPC官網(wǎng))如圖2所示。

圖2 電磁感應(yīng)示意圖

假設(shè)通過發(fā)射線圈上的電流為Imsinωt。通過線圈互感和電動勢關(guān)系，接收線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

(9)

從式(8)和(9)可知，感應(yīng)電動勢與兩線圈的匝數(shù)、兩線圈互感M成正比，與兩線圈的距離成反比。在電能無線傳輸過程中，受系統(tǒng)本身設(shè)計的影響，存在著能量損耗，且能量損耗的大小與線圈耦合系數(shù)K、線圈品質(zhì)因子Q這兩個參數(shù)成反比[17-18]。

線圈耦合系數(shù)K為：

(10)

耦合系數(shù)K表示兩線圈的磁耦合程度，其中，1代表兩線圈完全耦合，0代表兩線圈沒有任何耦合。耦合系數(shù)K與兩線圈的間距、尺寸比例、線圈間的角度有關(guān)。

線圈品質(zhì)因子Q為：

(11)

Q因子與線圈繞線方式、形狀、匝數(shù)以及線圈所用的材質(zhì)有關(guān)，其中，Rcoil為線圈內(nèi)阻。Q因子理論上值是一個從0到無限值的數(shù)，但在實際應(yīng)用中，Q因子達到100己經(jīng)是一個較好的數(shù)值了。

因此，同種材料制作的線圈，線圈間距越小、線圈匝數(shù)越多、半徑越大、線圈內(nèi)阻越小，傳輸損耗越小，傳輸效率越高。

3 實驗研究與運行

3.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本文采用電磁感應(yīng)的原理設(shè)計一種可以對放置在無線充電底座表面的手機進行無線充電的設(shè)備，受手機的尺寸與美觀要求的限定，線圈不可能太大，系統(tǒng)要達到較高的傳輸效率，這就在一定程度上要求傳輸距離不能太大，而且手機充電只有5W左右，屬于小功率?；诖?小功率短距離無線電能傳輸技術(shù)是現(xiàn)階段手機無線充電可應(yīng)用的最合理技術(shù)，該技術(shù)不僅滿足充電功率，保證充電效率，同時解決了空間錯位、障礙物對傳輸功率的影響。利用電磁感應(yīng)方式實現(xiàn)手機的無線充電，系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖3所示。

圖3 手機無線充電器總體設(shè)計

如圖3所示，該系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端兩個大部分組成，發(fā)射端由交流電源、整流濾波電路、高頻逆變電路、發(fā)射線圈等部分組成；接收端由接收線圈、整流變換電路、檢測報警電路等部分組成。通過電磁感應(yīng)，在接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，再經(jīng)過整流濾波為負載提供直流電壓，最終實現(xiàn)手機無線充電。檢測報警電路檢測電壓、電流和溫度等過程參數(shù)，如果檢測到充電器過熱或手機電池已經(jīng)充滿等情況蜂鳴器立即報警，提醒應(yīng)立即停止充電[19]。

3.2 運行測試

使用數(shù)字萬用表測量發(fā)射、接收兩端電壓和電流，據(jù)此求得發(fā)射端的輸入功率以及接收端的輸出功率，進而得到了手機的充電效率。為了進一步測試線圈距離與接收端輸出電壓、充電效率之間的關(guān)系，在保持發(fā)射線圈與接收線圈平行同軸的基礎(chǔ)上，不斷改變兩線圈之間距離，測量收發(fā)兩端的電壓和電流。如圖4所示。

圖4 負載電壓、充電效率隨線圈距離變化曲線

由圖4可知，負載電壓與充電效率隨著兩線圈的距離變大而減小。圖4(a)表明本系統(tǒng)的較理想的線圈距離是7 mm左右，圖4(b)表明在兩線圈距離7 mm的情況下本系統(tǒng)可獲得較高的充電效率，基本能夠穩(wěn)定在67.3%，電池容量3000 mAh的Android手機平均用時145分鐘左右充滿，充電效率比有線充電低。如果線圈設(shè)計得更優(yōu)化,減小接收端的溫升的影響，本系統(tǒng)充電效率還會有顯著的提高，這將是本課題組接下來的研究重點。

4 結(jié)論與展望

基于電磁感應(yīng)的小功率短距離無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸效率較高、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。已有一些相關(guān)產(chǎn)品面向市場，技術(shù)較為成熟。本文在探討無線電能傳輸?shù)幕驹硪约熬€圈設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對小功率短距離的無線電能傳輸技術(shù)進行研究，并論述了線圈距離對充電效率的影響。為未來無線電能傳輸技術(shù)向高功率、遠距離、高效率的研究提供一些參考和借鑒。

但是，溫升會導(dǎo)致熱損耗且存在火災(zāi)危險，線圈分離造成的漏感會導(dǎo)致傳輸效率較低，這就要求我們將接下來的工作重點放在如何有效地減小損耗、降低溫升的研究上。