摘  要： 介紹了一種以電感電容并聯(lián)諧振（以下簡(jiǎn)稱LC并聯(lián)諧振）電路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)并對(duì)裝置進(jìn)行了測(cè)試及結(jié)果分析。裝置由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，發(fā)射部分由LC并聯(lián)諧振回路和驅(qū)動(dòng)電路組成；接收部分將線圈電磁感應(yīng)產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過整流和濾波后輸出直流電壓。測(cè)試結(jié)果為：當(dāng)兩線圈間距為10 cm時(shí)能夠達(dá)到34％的最大傳輸效率；當(dāng)輸入回路電流不大于1 A且保證負(fù)載LED燈不滅時(shí)，兩線圈最大間距為52 cm。

　　關(guān)鍵詞： 無線電能傳輸；磁耦合；并聯(lián)諧振；傳輸效率

0 引言

　　無線電能傳輸技術(shù)曾被美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)定為未來十大科研方向之一[1]，其發(fā)展受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。無線電能傳輸技術(shù)主要分為三類[2]：電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)、基于微波的無線電能傳輸技術(shù)和耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)。2006年MIT研究小組在美國(guó)AIP論壇上提出基于強(qiáng)耦合理論的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，并于2007年通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，以40%的傳輸效率成功點(diǎn)亮了2 m以外的60 W燈泡[3]。該技術(shù)具有傳輸效率高、距離遠(yuǎn)、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)，為中程無線電能傳輸?shù)难芯块_辟了一個(gè)新的方向。

　　目前多數(shù)無線電能傳輸裝置是基于LC串聯(lián)諧振的耦合模型，但在實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)射端往往采用并聯(lián)諧振電容的連接方式，這種方式只得到了部分學(xué)者的初步研究。本文介紹一種以LC并聯(lián)諧振回路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)，并對(duì)該裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置電路設(shè)計(jì)的示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由發(fā)射端線圈諧振回路和接收端線圈諧振回路組成。發(fā)射端包括發(fā)射端諧振線圈及與其并聯(lián)的電容構(gòu)成諧振回路，驅(qū)動(dòng)電路提供大電流；接收端包括接收端諧振線圈及與其并聯(lián)的電容構(gòu)成諧振回路，以及消耗能量的負(fù)載。

2 單元電路分析與設(shè)計(jì)

　　2.1 LC并聯(lián)諧振模型分析

　　根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的相關(guān)理論[4]，傳輸系統(tǒng)的諧振耦合電路模型如圖2所示。其中Uin為高頻發(fā)射源輸入電壓有效值，R1、R2分別為兩諧振線圈在高頻下的寄生電阻，L1、L2分別為諧振電感，C1、C2分別為諧振電容，RL為負(fù)載電阻，M為兩線圈之間的互感，D為兩線圈之間的距離。

　　設(shè)傳輸系統(tǒng)的諧振角頻率為?棕，發(fā)射端線圈電流有效值為I1，接收端線圈電流有效值為I2，負(fù)載電流有效值為IL。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)發(fā)射端、接收端兩線圈均處于自諧振狀態(tài)時(shí)，有：

　　Q為線圈的品質(zhì)因數(shù)，可以明顯看出線圈的品質(zhì)因數(shù)越高，系統(tǒng)的效率越大。提高系統(tǒng)輸入電壓Uin、諧振頻率f、互感M能有效提高系統(tǒng)輸出功率。但在實(shí)際應(yīng)用中，輸入電壓和諧振頻率還要受到器件的限制。當(dāng)采用開關(guān)電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，輸入電壓有效值與驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比有關(guān)。由式（3）可知，系統(tǒng)的傳輸效率主要取決于互感M和線圈的品質(zhì)因數(shù)Q。線圈互感系數(shù)計(jì)算公式為：

　　其中，u0為真空磁導(dǎo)率，n為線圈匝數(shù)，r為線圈半徑，D為線圈間距。因此，在輸入直流電壓和線圈參數(shù)（包括線圈半徑、線徑、匝數(shù)）確定時(shí)，可以把系統(tǒng)負(fù)載功率和傳輸效率的影響因子簡(jiǎn)化為三個(gè)部分：系統(tǒng)諧振頻率、驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比和線圈間距。

　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　首先信號(hào)源設(shè)計(jì)以FPGA為核心，F(xiàn)PGA具有速度快、精度高的特點(diǎn)。Verilog語言編寫程序產(chǎn)生PWM波，并通過按鍵對(duì)PWM波的頻率和占空比進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整。但由于信號(hào)源產(chǎn)生的PWM波電壓較小，不足以驅(qū)動(dòng)MOS管，因此發(fā)射部分需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路使LC并聯(lián)諧振。本設(shè)計(jì)采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片IR2110作為MOS管IRF3710的驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，電路穩(wěn)定，放大效果好，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便。

　　2.3 穩(wěn)壓電路

　　采用LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電路，電路連接如圖4所示?？梢詫⑤斎氲?5 V電壓穩(wěn)定在5 V輸出，用于為FPGA供電。

　　2.4 整流濾波電路

　　單相橋式整流電路由肖特基二極管組成，正向壓降低，適合速度高的電路。

　　電容濾波電路是最常見也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖5所示。濾波電容容量較大，因而一般采用電解電容。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。

3 測(cè)試方案及結(jié)果分析

　　3.1 測(cè)試儀器

　　系統(tǒng)測(cè)試所用儀器如表1所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)測(cè)試

　?。?）線圈直徑20 cm，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x=10 cm，通過調(diào)節(jié)可變電阻器使接收端輸出直流電流近似為0.5 A，用數(shù)字萬用表測(cè)輸出直流電壓U2，保證U2≥8 V，將高精度數(shù)字萬用表串在發(fā)射端電路中，測(cè)出輸入電流I1，即可計(jì)算出該無線電能傳輸裝置的效率（U1為輸入端電壓，I2為輸出電流）；調(diào)節(jié)PWM占空比，諧振頻率，使η值盡可能大。

　　用示波器接發(fā)射線圈的感應(yīng)電壓測(cè)試端口，數(shù)字萬用表測(cè)量輸入和輸出電壓，臺(tái)式數(shù)字萬用表測(cè)量輸入和輸出電流，結(jié)果如表2所示。

　　結(jié)論：在兩線圈間距為10 cm時(shí)，效率最高可以達(dá)到34.2%。

　?。?）輸入直流電壓U1=15 V，輸入直流電流不大于1 A，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1 W）。在保持LED燈不滅的條件下，測(cè)量發(fā)射線圈與接收線圈間最大距離。

　　測(cè)試結(jié)果及分析：將接收線圈拉遠(yuǎn)，此時(shí)調(diào)節(jié)PWM波的頻率和占空比，當(dāng)頻率為74.85 kHz時(shí)，電流為0.978 3 A，此時(shí)LED燈剛好能亮，兩線圈間距最大為52 cm。

　　也可以接入中繼線圈，中繼線圈也是LC并聯(lián)諧振回路，并且諧振頻率和發(fā)射、接收回路相同。適當(dāng)調(diào)節(jié)中繼線圈在發(fā)射和接收線圈之間的距離，使得LED剛好亮，此時(shí)發(fā)射和接收線圈的間距最大為58 cm。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)裝置由發(fā)射部分和接收部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)源以FPGA為核心器件產(chǎn)生PWM波；由IR2110芯片將TTL電平放大驅(qū)動(dòng)MOS管，實(shí)現(xiàn)DC到AC轉(zhuǎn)換。接收部分將接收線圈感應(yīng)產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過單相橋式整流和濾波電路實(shí)現(xiàn)AC到DC的轉(zhuǎn)換。裝置整體由15 V外接電源供電，采用穩(wěn)壓電路提供5 V的FPGA電源電壓。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，線圈距離為10 cm時(shí)能夠達(dá)到的最大效率為34％；當(dāng)輸入電流不大于1 A且保證LED燈不滅時(shí)，兩線圈距離最大為52 cm，通過中間串插LC并聯(lián)回路（中繼線圈）將距離增大至58 cm。裝置能夠較好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與理論分析相一致。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 張茂春，王進(jìn)華，石亞偉.無線電能傳輸技術(shù)綜述[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，26（4）：485-488.

　　[2] 王學(xué)通，冀文峰，薛臥龍.耦合諧振無線電力傳輸諧振頻率跟隨設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（8）：58-60.

　　[3] KURS A， KARALIS A， MOFFATT R， et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science， 2007， 317（6）：83-86.

　　[4] 任立濤.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.