基于磁耦合諧振的無線電能傳輸研究

陳文杰，王浩陳，張 懿，魏海峰，劉維亭

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

基于磁耦合諧振的無線電能傳輸研究

陳文杰，王浩陳，張 懿*，魏海峰，劉維亭

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

基于磁耦合諧振式無線電能傳輸機理，構(gòu)建了以TMS320F2812型號的DSP作為主控芯片的無線傳輸系統(tǒng)裝置，并進行軟硬件設(shè)計.同時對各模型參數(shù)進行了理論計算，并根據(jù)模型對不同傳輸頻率下傳輸效率與負載進行了分析，得出了不同耦合狀態(tài)下系統(tǒng)獲得最大負載功率的條件.系統(tǒng)實驗采用定變量的方法，保持一定的負載電流變化逆變頻率，結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠維持一定距離和傳輸效率進行傳輸.

磁耦合諧振;無線電能傳輸;傳輸效率;TMS320F2812

進入21世紀以來，無線電能傳輸技術(shù)的研究取得了突破性進展，文獻［1］利用磁耦合諧振原理實現(xiàn)中距離的無線電能傳輸，在2 m多的距離內(nèi)將一個60 W的燈泡點亮，傳輸效率達到40%左右.近幾年來，各國研究人員對無線電能傳輸進行了深入研究，在理論和實踐上均取得了很大進展［2］.無線電能傳輸技術(shù)主要可分為磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式、微波輻射式、電場耦合式等.磁感應(yīng)耦合式和磁耦合式無線電能傳輸利用發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場將電能耦合到接收線圈，從而實現(xiàn)對負載的電能傳輸.其中，磁感應(yīng)耦合技術(shù)發(fā)展較為成熟，傳輸功率較大，在較短的傳輸距離內(nèi)傳輸效率較高，隨著傳輸距離的增加，傳輸效率迅速降低［3］;磁耦合諧振式是磁感應(yīng)耦合的一種特例，通過發(fā)射線圈的磁耦合諧振實現(xiàn)高效非輻射能量傳輸，傳輸距離比磁感式要大［4］.與傳統(tǒng)的電能變換器相比，用于無線電能傳輸?shù)碾娔茏儞Q器在開關(guān)應(yīng)力、功率損耗和電磁干擾等方面存在的問題更為突出，因此設(shè)計高效可靠的電能變換器對提高無線電能傳輸性能至關(guān)重要［5-6］;發(fā)射接收裝置所在的位置以及材料對傳輸效率會產(chǎn)生影響，文獻［7］提出了在發(fā)射接受天線之間加入一個中繼諧振線圈，結(jié)果顯示，減少了向系統(tǒng)外的電磁輻射，從而提高了系統(tǒng)傳輸效率.當(dāng)傳輸距離或負載發(fā)生變化時，需采取適當(dāng)?shù)牟呗允拐麄€系統(tǒng)保持在最高傳輸功率和最大傳輸效率的工作狀態(tài)，為此，文獻［8］設(shè)計了一個將諧振器、控制器和整流器組合起來的磁耦合諧振系統(tǒng).基于文獻［8-11］，針對目前最為廣泛的磁耦合諧振式無線電能傳輸方式，文中利用串聯(lián)諧振的方式實現(xiàn)磁耦合諧振的無線電能傳輸，構(gòu)建了以DSP2812為核心控制的實驗裝置，該裝置硬件成本相對較低，傳輸效率高，有極高的性價比.同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實驗維持在一定負載電流下，能夠有效的驗證各種因素對電能傳輸效率的影響.

1 磁耦合諧振無線傳輸原理

利用電路理論法建立等效電路的回路KVL方程組，求解方程組可得到傳輸功率和傳輸效率的數(shù)學(xué)表達式，從而對磁耦合式無線電能傳輸特性進行理論分析［7］.采用LC串聯(lián)諧振.圖1為具體的電路原理.

圖1 諧振式無線供電串聯(lián)電路模型Fig.1 Series circuit model of resonant wireless power supply system

圖中，R1，L1，R2，L2分別為發(fā)射和接收耦合線圈等效電阻和電感;C1，C2分別為發(fā)射和接收回路補償電容;R0為負載電阻.兩線圈間的互感系數(shù)為M，激勵交流源頻率為ω，由電路可得KVL方程為:

輸入回路阻抗和輸出回路阻抗分別為:

磁耦合傳輸效率η通常負載吸收功率Pout與發(fā)射回路的輸入功率Pin之比為:

以上公式聯(lián)立，可以得到:

由式(4)得，傳輸效率η可以近似看成和輸入輸出阻抗Zin，Zout成反比關(guān)系，當(dāng)Zin，Zout最小時，傳輸效率將會越高，即jωL+=0，傳輸效率將會最高.此時諧振周期為Tr=2π，也就是諧振頻率為fr=1/Tr.為了試驗中更好找到諧振頻率，選擇相同的發(fā)射接收耦合線圈和相同的發(fā)射接收回路補償電容.

2 系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的工作流程如圖2，直流電源輸入，經(jīng)過全橋逆變成交流源輸入到發(fā)射線圈;DSP通過采集到的電壓電流信號，可以改變斬波的頻率和占空比，實現(xiàn)恒流恒壓控制等;接收端接收諧振能量后經(jīng)過整流濾波輸送給負載.橋驅(qū)動模塊用于驅(qū)動全橋，并含有光電隔離作用全橋電路模塊通過PWM波來控制全橋電路IGBT的通斷.此外，全橋電路和采集模塊都采用直流15V供電.

圖2 無線傳輸系統(tǒng)工作流程Fig.2 Work flow chart of resonant wireless power transferring system

輸出濾波整流電路由續(xù)流二極管、電感和電容組成.考慮續(xù)流二極管在IGBT截止時導(dǎo)通，消耗能量，又工作于高速狀態(tài)，所以采用了反向漏電流較低且正向浪涌承受能力較強的快恢復(fù)二極管，并且考慮了以后電路作為他用，預(yù)留端口以供以后的電容繼續(xù)并聯(lián).

采集模塊電路電路采用“電壓基準源TL431+ AVAGO公司高線性模擬光電耦合器HCNR201”組合作為參考、隔離、取樣.如圖3，它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi).反饋電壓由輸出端取樣，輸出電壓通過分壓電阻獲得取樣電壓后，與TL431中的2.5 V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光電耦合器控制端電流，最后通過改變PWM寬度調(diào)節(jié)輸出電壓，使其保持不變.光電耦合器的另一作用是對原、副邊進行隔離.該電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的基準電壓比較，通過光電耦合器HCNR201二極管三極管的電流變化改變PWM寬度.

圖3 采集模塊電路原理Fig.3 Circuit principle diagram of sampling model

驅(qū)動電路如圖4，采用IR2304美國IR公司生產(chǎn)的新一代半橋驅(qū)動集成芯片，可直接用于驅(qū)動兩個中功率半導(dǎo)體器件如MOSFET或IGBT，動態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動能力強，工作頻率高，且具有多種保護功能.驅(qū)動電路主要將DSP輸出的脈沖提高電壓值，以達到能夠驅(qū)動全橋IGBT開關(guān)的電壓.由于包含保護光耦隔離，其也具有一定保護電路的作用.

圖4 IR2304驅(qū)動電路Fig.4 Driving circuit for IR2304

2.2 軟件設(shè)計

主控芯片DSP主要根據(jù)采集來的電流值，輸出一定頻率和占空比的脈沖來控制全橋開關(guān)器件的通斷.發(fā)射端恒流控制程序流程如圖5，采集電路采集到電流輸入到DSP的A/D輸入口，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化得到電流值，將其和設(shè)定的期望電流值進行比較，并進行PID運算，不斷變化輸出PWM波的占空比實現(xiàn)恒流控制.

圖5 恒流控制程序Fig.5 Constant electric current control

3 實驗及結(jié)果分析

圖6為無線電能裝置系統(tǒng)的實物圖，主要包括DSP最小系統(tǒng)板、IR2304驅(qū)動IGBT電路、電壓采集電路、H全橋電路、發(fā)射接收電路、整流濾波電路等.

圖6 磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)實物Fig.6 Real magnetic coupled resonant wireless power transmission system

實驗采用3A/30V雙路穩(wěn)壓電源保持恒壓15V進行輸入，使用三位半萬用表測量發(fā)射端實際輸入電流電壓值和負載端電壓值.調(diào)節(jié)滑動變阻器使負載電流恒定在0.5A，通過式(5)計算效率值η.U1，I1，U2，I2(I2=0.5A定值)分別為發(fā)射端輸入電壓電流和接收端負載電壓電流值(由于穩(wěn)壓電源也存在內(nèi)阻，需要測定輸入的實際電壓).

實驗發(fā)射和接收電路回路采用線圈的電感均為0.2 mH，串聯(lián)電容均選用0.04 μF，計算得，理論諧振頻率為56.27 kHz.由于電容電感的測量值存在偏差，導(dǎo)致計算值和實際值存在差距，所以需要實驗調(diào)試得到最佳諧振頻率，測試過程如表1，得到最佳結(jié)果為54.5 kHz，對應(yīng)最高效率為46.8%.

由表1可見，當(dāng)開關(guān)頻率超過或者小于54.5 kHz時，效率都呈現(xiàn)下降，即越遠離諧振頻率，LC阻抗就越難以相抵消，導(dǎo)致電路的阻抗越大，效率越低.由此可以認定54.5 kHz為實際的諧振頻率.

表1 頻率改變對無線電能傳輸效率的影響Table 1 Effect on the efficiency of radio transmission

4 結(jié)論

文中基于磁耦合串聯(lián)諧振的原理，構(gòu)建了以DSP2812為核心的傳輸裝置，以負載恒流為條件進行多次試驗找到了合適諧振頻率，得到較為理想的傳輸效率，為無線電能傳輸技術(shù)改進和實際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ).

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(責(zé)任編輯:曹 莉)

Wireless power transmission based on couped magnetic resonance

Chen Wenjie，Wang Haochen，Zhang Yi，Wei Haifeng，Liu Weiting
(School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

The principle of the wireless power transfer was investigated.Transmission installation using DSP TMS320F2812 as the master chip was built，whose composition of hardware and design of software were introduced.The parameters of the model were calculated theoretically，and the transfer efficiency and load power of the system were analyzed based on the model.The key to obtain maximum load power of the transmission system was found under different work conditions.Then，the installation was tested.The experimental results demonstrated that the installation could realize transmission at a certain distance and efficiency.

coupled magnetic resonance;wireless power transferring;transmission efficiency; TMS320F2812

TM724

A

1673-4807(2015)06-0555-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.009

2015-07-11

船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金項目(13J2.5.2);江蘇省2015年度普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJLX15-0528)

陳文杰(1991—)，男，碩士研究生.*通信作者:張懿(1982—)，女，講師，研究方向為電機控制.E-mail:719156360@qq.com.

陳文杰，王浩陳，張懿，等.基于磁耦合諧振的無線電能傳輸研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，29(6):555-559.