基于電磁耦合共振式的無線電力傳輸研究

鄧鑫 關(guān)靜 王沖 溫哥華 陳致允

摘? 要：現(xiàn)今市場上的大部分無線充電設(shè)備，造價(jià)都較為昂貴，且僅針對(duì)某些價(jià)格比較高的電器如手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、汽車等高端設(shè)備進(jìn)行充電。同時(shí)考慮到充電協(xié)議不兼容等相關(guān)難題，設(shè)計(jì)一種低功率的充電設(shè)備，其中距離以及功耗問題則是文章研究的重點(diǎn);該研究還利用語音控制模塊對(duì)電力傳輸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能化管理。設(shè)計(jì)的無線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化電力傳輸控制，將無線輸電應(yīng)用到低端低功耗的電子產(chǎn)品中，提升用戶對(duì)生活電器的使用體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無線電力傳輸;磁耦合共振;感應(yīng)耦合;語音識(shí)別

中圖分類號(hào)：TM46? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）18-0040-04

Abstract：Most of the wireless charging devices on the market today cost more expensive，and is aimed at some of the higher price of appliances such as mobile phones，Bluetooth headsets，cars and other high-end equipment for charging. At the same time，considering the incompatibility of charging protocol and other related problems，a charging device for low-power electrical appliances is designed，among which distance and power consumption are the focus of this paper. The voice control module is used to control the power transmission and realize intelligent management. The designed wireless transmission system can realize intelligent power transmission control and apply wireless transmission to low-end and low-power electronic products，so as to enrich usersexperience in the use of household appliances.

Keywords：wireless power transmission;magnetic resonate coupling;inductive coupling;speech recognition

0? 引? 言

無線充電起源于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)電力先驅(qū)尼古拉·特斯拉展示了此項(xiàng)技術(shù)——通過在兩個(gè)電路（發(fā)射器和接收器）之間產(chǎn)生磁場來傳輸電能。由于無線設(shè)備和小功率設(shè)備的緊湊性以及對(duì)無線充電系統(tǒng)和電源的需求，至21世紀(jì)人類對(duì)無線電力傳輸有了極大興趣。但在大約100年的時(shí)間里，這項(xiàng)技術(shù)還未被廣泛地實(shí)際應(yīng)用，除了一些電動(dòng)牙刷[1]。如今，有近六種無線充電技術(shù)正在使用中，而這些技術(shù)的目的都是改變從智能手機(jī)、筆記本電腦到廚房電器和汽車等所有領(lǐng)域的有線傳輸。同時(shí)無線充電正在推動(dòng)醫(yī)療保健，汽車和制造業(yè)的發(fā)展，因?yàn)樗鼛砹嗽黾右苿?dòng)性和發(fā)展的希望，這些進(jìn)步可以使微型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從數(shù)米遠(yuǎn)的充電器中獲得電力[2]。

近年來，由于無線輸電設(shè)備的興起與學(xué)院注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，本團(tuán)隊(duì)本著對(duì)科學(xué)的探究精神并與通信工程專業(yè)、個(gè)人興趣等相結(jié)合，并基于江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃中的無線輸電與人工智能相結(jié)合的項(xiàng)目，以此來開展對(duì)無線輸電的研究，經(jīng)過一番努力之后，做出了一定成果，并著手以論文的形式來呈現(xiàn)本項(xiàng)目組所研究的內(nèi)容。在研究過程中結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有的一些書籍和目前所掌握的專業(yè)課知識(shí)，在無線電力傳輸和智能化結(jié)合方面做進(jìn)一步研究，并致力于解決目前市場上的眾多小功率電器充電線繁多，整理復(fù)雜的問題，簡化充電步驟。

1? 原理

最常見的無線功率傳輸技術(shù)是電磁感應(yīng)和微波功率傳輸。微波功率傳輸效率較低，尤其是對(duì)于近場功率傳輸，因?yàn)樗婕半姶挪ǖ妮椛?。可以通過電場耦合的方式來進(jìn)行無線電力的傳輸，但是電場耦合提供了一個(gè)感應(yīng)負(fù)載的電偶極子，該偶極子是一個(gè)開放的電容器或介電盤，外部物體可能會(huì)對(duì)電場耦合產(chǎn)生較大的影響。磁場耦合可能是優(yōu)選的，因?yàn)榇艌鲋械漠愇锞哂信c空白空間相同的磁性，而電磁感應(yīng)的缺點(diǎn)是范圍很短。由于磁場耦合是一種非輻射功率傳輸方法，相比于電磁感應(yīng)具有更高的效率，我們也可以通過施加具有共振現(xiàn)象的電磁耦合來增加功率傳輸范圍。

1.1? 磁共振耦合

磁共振耦合與電感耦合的原理相同，都是導(dǎo)線靠近磁場時(shí)，它將在該導(dǎo)線中產(chǎn)生磁場，通過磁場在電線之間傳遞能量，但是磁共振耦合使用諧振來增加有效傳輸能量的范圍。諧振可以分為兩種類型：串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。這兩種類型的共振原理是使最大的能量傳遞相同，但方法卻大不相同。

共振能量轉(zhuǎn)移或共振電感耦合是在相同頻率下高度共振的兩個(gè)線圈之間能量的短距離無線傳輸，執(zhí)行此操作的設(shè)備可稱為諧振變壓器。盡管許多變壓器會(huì)產(chǎn)生諧振，但這種類型的變壓器具有很高的品質(zhì)因數(shù)，并且?guī)缀蹩偸强招疽员苊忤F損。諧振傳遞是通過使線圈環(huán)產(chǎn)生振蕩電流來實(shí)現(xiàn)的，從而產(chǎn)生振蕩磁場。由于線圈高度諧振，因此放置在線圈中的任何能量在多個(gè)周期內(nèi)都會(huì)相對(duì)緩慢地消逝，但是如果靠近第二個(gè)線圈，即使距離很遠(yuǎn)，該線圈也可以吸收大部分能量[3]。

1.2? 電路的諧振

圖1為磁共振耦合原理圖，L1、L2、C1、C2分別為集中了兩端的全部電感和電容，U1為電流源，RL為用電器的內(nèi)阻。

在交流電壓源正弦穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，當(dāng)電源的頻率與本征頻率相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振，這時(shí)：

其中，ω0為諧振角頻率。當(dāng)滿足以上條件時(shí)，能量傳輸效率最大[4]。

電路頻率數(shù)值皆為f，ω為角頻率，ω=2πf，發(fā)射線圈的回路阻抗Z1、接受線圈的回路阻抗Z2的表達(dá)式為[5]：

根據(jù)基爾霍夫定律和互感理論，可以對(duì)發(fā)射端回路和接收端回路列出方程：

進(jìn)而可以求解出發(fā)射端線圈電流I1、接收端線圈電流I2、負(fù)載功率PRL和系統(tǒng)傳輸效率η。

其中，Re為實(shí)部。

2? 模型的建立

低功率設(shè)備通常具有諸如電池或電容器的能量存儲(chǔ)元件，用來為不同的電子電路提供能量。為了充電，儲(chǔ)能元件必須通過電纜連接至穩(wěn)壓器和主電源、調(diào)節(jié)器、接線、導(dǎo)體以及儲(chǔ)能器本身（尤其是在使用電池的情況下）這就導(dǎo)致一些元器件里因?yàn)榫€路問題影響了空間布局。為了解決這類問題，本項(xiàng)目利用學(xué)校里的一些基礎(chǔ)設(shè)施，并借助江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，綜合現(xiàn)有的知識(shí)以及團(tuán)隊(duì)所有成員所達(dá)成的一致意見，搭建以無線電力傳輸為主要技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用來解決當(dāng)今充電器種類過多的問題。通過無線能量傳輸可以消除電子設(shè)備中的布線，連接器甚至電池的需求。當(dāng)可用的電路板空間很小并且要求降低成本時(shí)，這是理想的解決方案，因?yàn)榭梢詮目偝杀局邢潆娖鞯某杀?。該?xiàng)目的目標(biāo)為：設(shè)計(jì)和構(gòu)建一種通過空間傳輸無線電力的方法。該系統(tǒng)將通過使用諧振線圈將功率從交流線路傳輸?shù)诫娮栊载?fù)載來工作。為了評(píng)估各種幾何和物理形狀因數(shù)，以增加發(fā)送器和接收器之間的耦合，通過使用諧振耦合來最大化功率傳輸[6]。

首先是框架構(gòu)建，根據(jù)市場上現(xiàn)有的無線充電器模型，再結(jié)合本文的研究方案，利用現(xiàn)有的一些技術(shù)制定了一套適合本項(xiàng)目的研究模型，框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

選用LD3320作為語音識(shí)別模塊，并對(duì)LD3320進(jìn)行改裝重組，加入自制的語音識(shí)別口令并寫入到代碼之中。在LD3320內(nèi)部，固化有高效的非特定人語音識(shí)別搜索引擎模塊和完整的非特定人語音識(shí)別特征庫，以及專為語音識(shí)別而作的硬件優(yōu)化和加速設(shè)計(jì)，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中LD3320主要是用作語音識(shí)別，將語音口令轉(zhuǎn)化為程序中的指令，達(dá)到智能化控制系統(tǒng)的目的。LD3320進(jìn)行語音識(shí)別的工作流程如圖4所示：對(duì)經(jīng)過麥克風(fēng)（MIC）輸入的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析-語音特征的提取-輸入語音特征與樣本特征（關(guān)鍵字列表）匹配-將匹配度最高的關(guān)鍵詞語作為最終語音識(shí)別的結(jié)果輸出。圖中的實(shí)線指的是將所有識(shí)別到的信號(hào)傳到下一模塊中，虛線所指的是只傳輸了部分信號(hào)，經(jīng)過微控制單元MCU的處理之后進(jìn)入到下一步流程之中。語音指令通過繼電器控制通、斷電。這種工作流程可以高效的利用語音模塊中的元器件，減少不必要的能耗。

由于本文中用電器對(duì)功率有一定的限制，直接使用220 V交流電不符合用電器的額定輸入功率，因此需利用220 V轉(zhuǎn)24 V的裝換接口，再通過XKT-801大功率共振無線供電芯片，用于高功率遠(yuǎn)距離傳輸電力。此芯片可以自動(dòng)調(diào)節(jié)供電電壓，能夠在較寬的電壓范圍下工作，可以實(shí)現(xiàn)高速能量輸號(hào)傳送，高效電池能量轉(zhuǎn)換。其最大工作電壓15 V，輸出驅(qū)動(dòng)電流2.5 A，如圖5所示，可以保證發(fā)射線圈所發(fā)出的功率能夠達(dá)到用電器的工作要求，繼而完成整個(gè)供電工作。

3? 實(shí)驗(yàn)分析

本文以低功耗LED燈為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇此LED燈主要是考慮到成本問題，在試驗(yàn)階段可以避免耗材成本過高。制作的實(shí)物圖如圖6所示，首先使用語音信號(hào)“喚醒”“打開”控制繼電器開啟，給線圈供電并實(shí)現(xiàn)無線傳輸點(diǎn)亮LED燈，其中指令“喚醒”為一級(jí)口令，作用是喚醒語音模塊，“打開”為二級(jí)口令，作用是執(zhí)行具體操作。結(jié)束無線充電功能則通過一級(jí)口令“沉睡”“關(guān)閉”實(shí)現(xiàn)，使LED燈熄滅。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，這種語音喚醒模式的開關(guān)穩(wěn)定性良好，可以應(yīng)用于家庭的臺(tái)燈開關(guān)以及其他一些低功耗設(shè)備之中。實(shí)驗(yàn)表明本文所設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)最遠(yuǎn)距離可達(dá)30 cm左右，遠(yuǎn)大于當(dāng)前大部分無線充電10 cm的充電距離，基本能夠滿足用電器的距離要求。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁耦合共振式的無線電力傳輸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明傳輸距離能夠達(dá)到30 cm，且功耗較低，能夠滿足基本的用電器要求，設(shè)計(jì)方案具有可行性和可靠性。為了進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的實(shí)用性，可利用變壓器等對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電器的無線充電，并增加本系統(tǒng)的傳輸距離，與語音模塊結(jié)合，應(yīng)用于智能家居中，為用戶的日常生活提供更多的便利。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：鄧鑫（1999—），男，漢族，江西贛州人，本科在讀，研究方向：通信工程，計(jì)算機(jī)硬件;通訊作者：關(guān)靜（1992—），女，漢族，山西運(yùn)城人，助教，碩士，研究方向：圖像處理、機(jī)器視覺。