基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源控制器研制

章海鈺

（上饒市中盛水電實(shí)業(yè)有限公司，江西 上饒 334100）

0 引 言

隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，傳統(tǒng)的隔離電源使用導(dǎo)線傳輸電能存在安全隱患和限制，因此需要一種更安全、高效的電源供應(yīng)方式。無線電能傳輸技術(shù)作為一種應(yīng)用潛力巨大的解決方案，成為了研究和開發(fā)的重點(diǎn)。本文主要研究基于無線電能傳輸技術(shù)導(dǎo)向下的隔離電源控制器研制。電能可以通過電磁場實(shí)現(xiàn)無線傳輸，避免了傳統(tǒng)導(dǎo)線傳輸帶來的安全問題，并提供了更大的便捷性。隔離電源控制器作為電子設(shè)備中常用的電源供應(yīng)方式，其研制和改進(jìn)具有重要意義。

1 無線電能傳輸理想模型功率與效率分析

理想情況下，無線電能傳輸?shù)墓β逝c效率應(yīng)該達(dá)到最大化。功率大小與發(fā)射端的電源輸出能力和接收端的負(fù)載需求有關(guān)，效率則涉及無線電能傳輸過程中的能量損失，主要包括發(fā)射端到接收端之間的傳輸損耗、接收端的電能轉(zhuǎn)換損耗以及負(fù)載電能利用效率等[1]。無線電能傳輸系統(tǒng)近似等效為如圖1所示的電路。其中：Uin為高頻交流電壓源；L1、C1、R1為發(fā)射端線圈的電感、匹配電容、內(nèi)阻；L2、R2、C2分別為接收端線圈的電感、內(nèi)阻、匹配電容；RL為負(fù)載電阻；M為L1、L2之間的互感。

圖1 無線傳輸理想模型

圖1中，電路特性表示為

ω為角頻率，Z1為發(fā)射端的回路阻抗，可以表示為

Z2為接收端的回路阻抗，表示為

線圈諧振角頻率的計(jì)算公式為

負(fù)載RL上的輸出功率Pout為

發(fā)射端的輸入功率Pin為

系統(tǒng)傳輸效率η可以表示為

當(dāng)耦合系數(shù)k非常小時(shí)，則這2個極值點(diǎn)所對應(yīng)的頻率相近，即L1、C1與L2、C2的串聯(lián)阻抗為0 Ω，則有

從而得出

最終的輸出功率和效率為

可以根據(jù)無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)如傳輸距離、天線面積、能量密度等，計(jì)算系統(tǒng)在理想模型下的功率和效率[2]。

2 基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源技術(shù)方案

2.1 電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊

在電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊中，通過直流電源提供輸入電能，電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊中的電路會將直流電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電能。這一轉(zhuǎn)換通常通過諧振振蕩電路或開關(guān)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。諧振振蕩電路利用共振電路的特性，在特定頻率上實(shí)現(xiàn)高頻振蕩。開關(guān)轉(zhuǎn)換電路則通過切換開關(guān)元件的狀態(tài)，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號。電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊中的高頻電能會被傳輸?shù)教炀€上，天線將其轉(zhuǎn)化為電磁輻射能量并發(fā)射出去[3]。

2.2 磁電轉(zhuǎn)換接收模塊

磁電轉(zhuǎn)換接收模塊是一種利用磁電轉(zhuǎn)換原理將電磁能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)磁電轉(zhuǎn)換接收模塊處于電磁輻射場時(shí)，其中的磁性材料會與外界的磁場發(fā)生相互作用。這種相互作用會導(dǎo)致磁性材料中自由電荷的運(yùn)動，從而產(chǎn)生電流。接收模塊中的線圈或電極裝置會捕捉到這個電流并將其導(dǎo)出。通過接收到的電流，磁電轉(zhuǎn)換接收模塊可以將電磁輻射能量轉(zhuǎn)換為直流電能。這種轉(zhuǎn)換利用了電磁感應(yīng)法則中的法拉第定律，即當(dāng)一個導(dǎo)體被磁場穿過時(shí)，通過導(dǎo)體的閉合回路會產(chǎn)生電流。

2.3 充電管理模塊

充電管理模塊通常由微控制器或?qū)Ｓ贸潆姽芾硇酒M成。通過提供精確的電流和電壓控制，充電管理模塊可以根據(jù)充電需求和電池特性調(diào)整充電參數(shù)，確保充電的安全性和效率。此外，充電管理模塊配備了多種保護(hù)機(jī)制，如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、溫度保護(hù)以及短路保護(hù)等，以保障充電的安全性和可靠性。

在充電過程中，充電管理模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)，包括電池電壓、電流以及充電時(shí)間等[4]，可以及時(shí)判斷充電完成的標(biāo)志并做出相應(yīng)處理，如斷開電源或者進(jìn)入維護(hù)模式。充電管理模塊還能提供多種接口和通信功能，方便充電狀態(tài)的監(jiān)控和控制。

3 樣機(jī)性能測試

3.1 控制器系統(tǒng)對外輸出電壓測試

測試控制器系統(tǒng)測試旨在驗(yàn)證控制器系統(tǒng)能夠輸出穩(wěn)定可靠的電壓，以滿足外部設(shè)備或負(fù)載的電力需求，確保電源控制器在正常工作的前提下，隨機(jī)選擇輸入電壓進(jìn)行測試。使用電壓表和示波器測試電源控制器在不同工作狀態(tài)下的輸出電壓穩(wěn)定性與紋波參數(shù)，主要包括市電供電下的空載狀態(tài)、帶負(fù)載工作狀態(tài)以及電池供電情況下的空載和帶負(fù)載工作狀態(tài)。測試中應(yīng)接入一個單個數(shù)據(jù)采集器作為負(fù)載，穩(wěn)定工作功率為3 W。為了評估市電供電下的輸出電壓穩(wěn)定性和紋波參數(shù)，輸入市電224 V系統(tǒng)的輸出電壓測試如表1所示，蓄電池供電系統(tǒng)的輸出電壓測試如表2所示。

表1 輸入市電224 V系統(tǒng)的輸出電壓

表2 蓄電池供電系統(tǒng)的輸出電壓

3.2 控制器系統(tǒng)長時(shí)間持續(xù)供電測試

控制器系統(tǒng)的長時(shí)間持續(xù)供電測試是為了驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中連續(xù)工作的能力和穩(wěn)定性[5]。該測試旨在檢查系統(tǒng)的電源管理、散熱性能以及穩(wěn)定性，以確保在長時(shí)間運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)能夠保持正常的功能和性能。在進(jìn)行長時(shí)間持續(xù)供電測試之前，需要確保系統(tǒng)處于正常操作狀態(tài)，并且所需的外部設(shè)備和負(fù)載已正確連接。測試期間應(yīng)記錄系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)。在采用市電供電的工作模式中，系統(tǒng)負(fù)載為單個數(shù)據(jù)采集器，穩(wěn)定工作功率為3 W，每2 h讀取一次負(fù)載端輸入電壓、電流值，得到如圖2、圖3所示的負(fù)載端輸入電壓、電流曲線。

圖2 負(fù)載端的輸入電壓

圖3 負(fù)載端的輸入電流

測試結(jié)束后，需要評估記錄的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。如果系統(tǒng)在長時(shí)間持續(xù)供電測試過程中出現(xiàn)故障或異常情況，則需要進(jìn)行故障排查和修復(fù)；如果系統(tǒng)能夠在持續(xù)供電測試中穩(wěn)定運(yùn)行，則可以確認(rèn)其具備長時(shí)間穩(wěn)定供電的能力。

4 結(jié) 論

本文基于無線電能傳輸技術(shù)，研究并提出了一種基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源控制器。通過對無線電能傳輸系統(tǒng)理論的分析，以及對電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊、磁電轉(zhuǎn)換接收模塊和充電管理模塊等技術(shù)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以有效解決傳統(tǒng)隔離電源存在的安全隱患和便捷性問題。通過樣機(jī)性能測試，可以驗(yàn)證控制器系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，并通過長時(shí)間持續(xù)供電測試評估其穩(wěn)定性和耐久性。