雙模式可調(diào)的無(wú)線電能傳輸*

胡濟(jì)宇，季濤，鄒儒佳

(1.華東師范大學(xué)第二附屬中學(xué)，上海201203;2.上海工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)學(xué)院，上海201620; 3.東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620)

雙模式可調(diào)的無(wú)線電能傳輸*

胡濟(jì)宇1，季濤2，3，鄒儒佳3*

(1.華東師范大學(xué)第二附屬中學(xué)，上海201203;2.上海工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)學(xué)院，上海201620; 3.東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620)

從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種可調(diào)頻率、可調(diào)占空比的磁共振式無(wú)線充電裝置，該裝置具有電能轉(zhuǎn)化效率最高模式和充電輸出功率最大模式雙重功能。在觸發(fā)信號(hào)與LC振蕩回路共振時(shí)，占空比對(duì)充電模式起了決定性作用。在額定輸入電壓下，占空比在0.20～0.35范圍內(nèi)，裝置的電能轉(zhuǎn)化效率最大;占空比是0.6時(shí)，裝置的輸出功率最大。

無(wú)線充電;雙?？烧{(diào);占空比;磁共振

無(wú)線電能傳輸技術(shù)，由于充電器和用電器之間不用電線連接，從而避免了頻繁插拔接頭以及潛在觸電的危險(xiǎn)。它具有可靠性高、安全性好、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。因而，無(wú)線電能傳輸技術(shù)受到科技領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［1-4］。電場(chǎng)具有和磁場(chǎng)理論上相同的對(duì)偶性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了電場(chǎng)耦合型無(wú)線電能傳輸?shù)难芯?。日本株式?huì)社村田和重慶大學(xué)都開展了電場(chǎng)耦合的理論研究［5-9］，但尚未成熟。電感耦合型無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，主要有磁感應(yīng)和磁共振兩種類型［10］。近幾年，無(wú)線電能傳輸無(wú)論是在技術(shù)創(chuàng)新還是在應(yīng)用推廣上都有較大發(fā)展［11-12］。但有關(guān)占空比對(duì)充電模式的影響未見報(bào)道。

本研究設(shè)計(jì)出可調(diào)頻、可調(diào)占空比方波形的磁共振式無(wú)線充電裝置。旨在探索觸發(fā)信號(hào)頻率和占空比對(duì)無(wú)線充電效率的影響，重點(diǎn)研究方波信號(hào)作為激勵(lì)共振源時(shí)，不同占空比對(duì)電壓和電流的變化產(chǎn)生的影響。該工作可為無(wú)線充電研究提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 無(wú)線電能傳輸電路設(shè)計(jì)

磁共振式也稱為近場(chǎng)諧振式，利用發(fā)射端和接收端的LC電路形成共振，就可以交換彼此的能量。發(fā)射端的電感L和電容C構(gòu)成了一個(gè)諧振發(fā)射電路，向周圍空間發(fā)出非輻射交變磁場(chǎng);接收端采用相同的電感L和電容C構(gòu)成接收器諧振電路。當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相同時(shí)，接收電路與發(fā)射電路產(chǎn)生強(qiáng)磁耦合，即可形成無(wú)線電能傳輸。

信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建是利用三極管的電流放大功能，將信號(hào)發(fā)生器提供的觸發(fā)信號(hào)波形放大至所需功率或電壓，如圖1所示。VCC為放大電路的供電電源(能量的來(lái)源)，大小為12 V。信號(hào)發(fā)生器(VC2002)的觸發(fā)信號(hào)從圖1中“小信號(hào)輸入”輸入端輸入，可提供可調(diào)頻、可調(diào)占空比的方波，控制功率開關(guān)器件(IRF540N)的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而給LC電路充能。發(fā)射端的LC回路由耦合電感Lp和補(bǔ)償電容Cp組成，其頻率可通過f0=1/2π得到。

圖1 信號(hào)放大電路

調(diào)節(jié)觸發(fā)信號(hào)的頻率，使得LC振蕩電路的頻率與觸發(fā)信號(hào)形成諧振。發(fā)射端的線圈Lp發(fā)射出的交變磁場(chǎng)，則會(huì)引起接收端LC電路共振，在接收端電容Cp的兩端產(chǎn)生“高頻交流輸出”(余弦波)，從而達(dá)到共振并彼此交換能量。LC振蕩電路中一個(gè)周期可分為:電容充電、電感充能、電容反向充電以及電感反向充能4個(gè)階段，其電流和電壓呈周期性變化。

接收端利用AC-DC變換模塊，將接收到的交變電能轉(zhuǎn)換為直流電能。借助示波器和萬(wàn)用表，檢測(cè)接收端處AC的波形圖以及輸出DC功率隨著觸發(fā)頻率的變化情況。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的波形和占空比發(fā)生改變時(shí)，觀察LC振蕩電路中信號(hào)最強(qiáng)位置，確定兩種模式下的最優(yōu)占空比。

圖2 發(fā)射端和接收端的LC振蕩電路

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中采用VC2002函數(shù)發(fā)生器，提供方波觸發(fā)信號(hào);利用萬(wàn)用表輔助檢測(cè)發(fā)射端和接收端的電流和電壓值得到功率值;示波器Victor1025A跟蹤檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)的頻率和波形。在LC回路中，電容Cp為0.01μF，發(fā)射線圈和接收線圈均為自繞線圈，匝數(shù)為44圈，直徑為10 cm。根據(jù)示波器的跟蹤發(fā)現(xiàn)，LC電路固有頻率(fLC)約為78 kHz。

2.1 頻率對(duì)充電效率和功率的影響

電路共振時(shí)，電路中可達(dá)成最大的能量傳輸。為了探索該裝置的電能傳輸中的頻率對(duì)充電效率和功率的影響，這里測(cè)試了在占空比一定時(shí)，裝置的轉(zhuǎn)化效率和輸出端的直流功率輸出隨著觸發(fā)頻率的變化。如圖3所示，測(cè)試波段是在10 kHz～120 kHz之間，負(fù)載電阻為200Ω?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(紅色)隨觸發(fā)頻率的變化趨勢(shì)大致相同。當(dāng)激發(fā)頻率在78 kHz、39 kHz和26 kHz附近時(shí)，電路的轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都出現(xiàn)了極大值。其中LC振蕩電路頻率和激發(fā)頻率(78 kHz)一致時(shí)，轉(zhuǎn)化效率最高。

圖3 轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(紅色)隨觸發(fā)頻率的變化

當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的周期是LC振蕩電路周期的整數(shù)倍時(shí)(頻率的倒數(shù))，電能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)化效率和輸出功率均達(dá)到極大值。原因是在觸發(fā)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，就形成了LC振蕩的整數(shù)倍諧振。激發(fā)信號(hào)對(duì)LC電路的一次充能，為L(zhǎng)C電路接下來(lái)的整數(shù)倍周期振蕩提供能量(如39 kHz和26 kHz)，這時(shí)也會(huì)達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)化效率，但對(duì)應(yīng)的輸出功率會(huì)小于激發(fā)頻率為78 kHz時(shí)的輸出功率。由此可知，在LC振蕩電路頻率和激發(fā)頻率(78 kHz)一致時(shí)，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都最高。

2.2 占空比對(duì)充電效率和功率的影響

占空比是方波信號(hào)中方波開通時(shí)間占整個(gè)周期時(shí)間的比率。在激發(fā)信號(hào)與LC電路形成共振時(shí)，方波開通時(shí)間就是為L(zhǎng)C電路充能時(shí)間。LC振蕩電路有電容充電、電感充能、電容反向充電以及電感反向充能4個(gè)階段。激發(fā)信號(hào)充能時(shí)間的跨越范圍直接影響了LC振蕩電路周期的完整性。

為了探索占空比的影響，在觸發(fā)信號(hào)頻率為78 kHz(共振)、負(fù)載為200Ω時(shí)，研究了不同的占空比下裝置的轉(zhuǎn)化效率和接收端的輸出功率，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)，占空比對(duì)電能傳輸?shù)挠绊懕容^明顯。當(dāng)占空比為0.20～0.35時(shí)，轉(zhuǎn)換效率最高，但此時(shí)接收端的輸出功率不大;當(dāng)占空比為0.35～0.60時(shí)，轉(zhuǎn)化效率隨之降低，而接收端的輸出功率變大;當(dāng)占空比大于0.6時(shí)，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都降低。

圖4 78 kHz下轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(方塊)隨占空比的變化

占空比過小，LC電路蓄能不充分，這樣就達(dá)不到所需的功率;占空比過大，放大器件的開啟時(shí)間過長(zhǎng)，電能消耗過多，多余的能量由熱能放出。圖5和圖6分別是當(dāng)占空比為25%和60%時(shí)，觸發(fā)信號(hào)(黑色)和接受信號(hào)(方塊)隨時(shí)間的變化。在圖5中可以發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)信號(hào)在一個(gè)周期的電容充電階段(第1階段)，給發(fā)射電路的LC電路充電，同時(shí)給電容和電感充電，激發(fā)能量終止后，電感持續(xù)給電容充電，達(dá)到振蕩信號(hào)的極大值，后面的剩余3個(gè)過程則由LC電路自振完成，這時(shí)能量得到極大的利用。但在激發(fā)信號(hào)過多時(shí)，在圖6中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)過大時(shí)(60%)，充能開啟時(shí)間跨越了電容充電和電感充能兩個(gè)階段，雖然輸出端的輸出功率比較大，但放大器件的開啟時(shí)間過長(zhǎng)，純電阻電能消耗過多，效率相對(duì)較低。由此可以發(fā)現(xiàn)，在共振下，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率不能隨占空比同時(shí)達(dá)到極值，當(dāng)占空比為0.20～0.35時(shí)，轉(zhuǎn)化效率最高，而在占空比為0.6時(shí)，輸出功率最大。

圖5 78 kHz下，占空比為25%時(shí)，觸發(fā)信號(hào)(黑色)和接受信號(hào)(紅色)隨時(shí)間的變化

圖6 78 kHz下，占空比為60%時(shí)，觸發(fā)信號(hào)(黑色)和接受信號(hào)(紅色)隨時(shí)間的變化

2.3 諧振時(shí)輸入功率和輸出功率的關(guān)系

兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定距離時(shí)，由于線圈諧振和磁場(chǎng)強(qiáng)耦合會(huì)形成能量分布不均勻。在強(qiáng)耦合作用下空間磁場(chǎng)分布將被改變，能量根據(jù)耦合程度重新分配。這里研究了在激發(fā)信號(hào)與LC電路形成共振時(shí)，輸入功率和輸出功率在外加負(fù)載作用下的變化情況，進(jìn)而推出能量分布。

圖7所示為當(dāng)兩組線圈距離很小時(shí)，輸入功率和輸出功率隨外加負(fù)載電阻的變化(包含線圈內(nèi)阻)。在外加電阻為200Ω附近時(shí)，輸出功率最大，而輸入功率最小，因此相應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率比較大。沒加負(fù)載或者負(fù)載電阻很小時(shí)，輸入功率反而比較大;當(dāng)輸出功率最大時(shí)，輸入功率卻出人意料地降低了。發(fā)射功率(輸入功率)隨著負(fù)載的增加先減小后增大，但接收端效率會(huì)隨著負(fù)載的增加而先增大后減小。其原因可能是諧振把能量分布進(jìn)行了重新分配，減少了對(duì)外輻射。據(jù)此可進(jìn)一步探討和研究輻射小轉(zhuǎn)化效率高的無(wú)線電能傳輸。

圖7 輸入功率(黑色)和輸出功率(紅色)隨負(fù)載電阻的變化

3 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)出了可調(diào)頻、可調(diào)占空比的磁共振式無(wú)線充電裝置，該裝置具有多功能性，可根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置電能轉(zhuǎn)化效率最高模式和充電輸出功率最大模式。其中諧振頻率和占空比是影響無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，觸發(fā)信號(hào)的周期是LC振蕩電路周期的整數(shù)倍時(shí)，電能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)化效率和輸出功率出現(xiàn)極值。在共振下，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率不隨占空比同時(shí)達(dá)到極值，當(dāng)占空比為0.20～0.35時(shí)，轉(zhuǎn)化效率最高，而當(dāng)占空比為0.6時(shí)，輸出功率最大。由此可見，通過調(diào)節(jié)占空比就可實(shí)現(xiàn)兩種功能模式的轉(zhuǎn)化。另外，在強(qiáng)耦合作用下，磁場(chǎng)能量會(huì)根據(jù)兩組線圈耦合程度重新分配，減少了其他方向上發(fā)射的能量損耗。該工作可為無(wú)線電能傳輸研究提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

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鄒儒佳(1982-)，男，漢族，安徽蕪湖人，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，碩士導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣怆娖骷捅∧と嵝云骷?，rjzou@dhu.edu.cn。

Dual-M ode Adjustable W ireless Power Transm ission*

HU Jiyu1，JITao2，3，ZOU Rujia3*

(1.No.2 High School Attached to East China Normal University，Shanghai 201203，China; 2.School of Fundamental Studies，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China; 3.College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

For the practical application，we designed the magnetic resonance wireless charging equipment with an adjustable frequency and an adjustable duty ratio.The equipment has demonstrated two functions，i.e.，the highest energy conversion efficiencymode and the chargingmaximum output powermode.Under the resonance of the trigger signal and LC tank，the duty cycle of trigger signal played a decisive role in the chargingmode.Under rated input voltage，the energy conversion efficiency of the device is the largestwith the duty ratio in the range of0.20 to 0.35; under the duty ratio of 0.6，the output power of the device is greatest.

wireless power transmission;dual-mode adjustable;duty cycle;magnetic resonance

C:5140

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.042

TM 15;TM 910.6

:A

:1005－9490(2017)01－0224－04

項(xiàng)目來(lái)源:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(新教師類20130075120001);教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(313015)

2016-01-17修改日期:2016-03-02