一種電磁諧振式無線電能傳輸裝置的研究與設計

湖北民族學院 譚必燈 何星瑭 陳坤燚

湖北民族學院科技學院 夷 健

1 引言

近年來，針對電磁諧振無線電能傳輸，國內(nèi)外專家從理論和應用等多方面展開了研究，并取得了諸多有益的成果。文獻[1]研究了電磁諧振式無線電能傳輸所能達到的最大效率，推導出了達到最大效率的條件；張波教授詳細分析了系統(tǒng)傳輸效率與諧振頻率、線圈自身參數(shù)和距離等參數(shù)之間的關(guān)系，同時得出在諧振耦合時線圈間能量傳遞效率達到最大的結(jié)論。

我們利用電磁諧振耦合原理設計了一套完整的無線電能傳輸裝置，并就電磁諧振頻率、負載阻抗和傳輸距離對無線電能傳輸效率的影響進行試驗研究，我們設計的這套實驗裝置體積小，可在中遠距離下通過頻率自適應實現(xiàn)較高效率傳輸，操作簡單，實用性強。

2 系統(tǒng)綜述

本實驗裝置就是一套頻率自適應的無線電能傳輸裝置，實現(xiàn)了電能中遠距離的無線傳輸，通過頻率自適應可以自動調(diào)節(jié)諧振頻率，達到效率傳輸?shù)淖顑?yōu)效果。該系統(tǒng)由前級升壓穩(wěn)壓電路、自激振蕩電路、電磁發(fā)射裝置、電磁接收裝置和整流電路構(gòu)成。電能通過電磁諧振在系統(tǒng)中傳輸，在整個電能的傳輸過程中，磁場之間的耦合效率決定了電能的傳輸效率，同時也決定了電能的傳輸距離，最終形成一套基于電磁諧振的無線電能傳輸裝置，實現(xiàn)電能中距離的高效率傳輸。電磁諧振式無線電能傳輸裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 電磁諧振式無線電能傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路

系統(tǒng)硬件主要由前級升壓穩(wěn)壓電路、自激振蕩和電磁發(fā)射裝置、電磁接收裝置和整流電路這三個模塊構(gòu)成。

3.1 前級升壓穩(wěn)壓電路

前級升壓穩(wěn)壓電路模塊采用TI公司生產(chǎn)的TPS40210芯片的典型升壓穩(wěn)壓電路，將15V的直流電壓提升到24V，這樣便可以增大前級輸入功率，有利于整個系統(tǒng)傳輸效率的提升。

3.2 自激振蕩和電磁發(fā)射電路模塊

該電路的主要功能就是將輸入直流通過自激振蕩轉(zhuǎn)換成高頻交流，將電能輸送到電磁發(fā)射線圈，通過電磁諧振頻率匹配，將電能高效率的傳送到后級接收線圈。自激振蕩和電磁發(fā)射電路模塊的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 自激振蕩和電磁發(fā)射電路

自激振蕩電路就是通過兩個MOS管Q1和Q2交替開通關(guān)斷，無需其他供電電路和驅(qū)動電路，即可讓LC振蕩。在MOS管Q1開通時，MOS管Q2關(guān)斷，這時通過R1、R2、L1、D2、L3和Q1構(gòu)成回路工作，形成高頻交流的正半波；在MOS管Q2開通時，MOS管Q1關(guān)斷，這時通過R3、R4、L2、D1、L3和Q2構(gòu)成回路工作，形成高頻交流的負半波。由于R1和R3、R2和R4、L1和L2數(shù)值相等，MOS管Q1和Q2、二極管D1和D2型號特性完全相同，相當于構(gòu)成了兩個對稱電路，這時兩個MOS管交替工作產(chǎn)生高頻交流半波的周期相同，二者結(jié)合構(gòu)成完整的高頻正弦波，這就是最終形成的高頻交流電，再通過電磁發(fā)射線圈將電能發(fā)射給后級接收線圈。最終的電磁諧振頻率利用公式即可求得。

3.3 電磁接收和整流電路模塊

二次接收線圈與電容并聯(lián)構(gòu)成諧振電路，在距接收線圈一端3/4處引出一抽頭，將該抽頭與接收線圈一端連接到整流電路，經(jīng)過整流橋整流后的直流再通過電容C2濾波，得到質(zhì)量較高的直流供給直流負載。電磁接收和整流電路如圖3所示：

圖3 電磁接收和整流電路

圖3 中的四個整流二極管構(gòu)成單相橋式全波整流，采用單相橋式全波整流的直流輸出電壓比半波整流的要高、輸出電壓脈動程度小。這四個整流二極管均采用RHRG30120快恢復二極管，在諧振頻率較高的情況下，使用快恢復二極管可以極大的降低開關(guān)損耗，增大傳輸效率，并且RHRG30120快恢復二極管耐壓值高，其反向恢復時間特別短，滿足高頻設計要求。

綜合單相橋式全波整流電路后濾波電容的整定分析，以及在整個實驗過程中對負載RL和輸出電壓的考慮，最終濾波電容采用耐壓值為50V、大小為4700 的電解電容，濾除經(jīng)整流電路出來的直流所帶的低次諧波，得到紋波較小的直流提供給負載。

4 實驗測試

4.1 帶負載測試實驗（一）

輸入直流電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，自適應頻率為60KHz，改變可調(diào)負載阻值大小，記錄輸出電壓與輸出電流，計算電能傳遞效率。帶負載測試實驗（一）數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 帶負載測試實驗（一）數(shù)據(jù)

由帶負載測試實驗（一）分析可得：輸入直流電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，自適應頻率為60KHz，改變可調(diào)負載阻值大小，當負載為60Ω時，電能傳輸效率達到最大為44.43%；隨著負載阻值的增大，輸入電流逐漸增大，輸出電壓逐漸增大，輸出電流逐漸減小，電能傳輸效率先增大再減小。

4.2 帶負載測試實驗（二）

輸入直流電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，自適應頻率為80KHz，改變可調(diào)負載阻值大小，記錄輸出電壓與輸出電流，計算電能傳遞效率。帶負載測試實驗（二）數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 帶負載測試實驗（二）數(shù)據(jù)

由帶負載測試實驗（二）分析可得：輸入直流電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，自適應頻率為80KHz，改變可調(diào)負載阻值大小，當負載為50Ω時，電能傳輸效率達到最大為51%；隨著負載阻值的增大，輸入電流逐漸增大，輸出電壓逐漸增大，輸出電流逐漸減小，電能傳輸效率先增大再減小。

4.3 可變距離測試實驗（一）

輸入直流電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，自適應頻率為60KHz，改變發(fā)射線圈與接收線圈的距離，記錄輸出電壓與輸出電流，計算電能傳遞效率。

可變距離測試實驗（一）數(shù)據(jù)記錄在表3中，如表3所示：

表3 可變距離測試實驗（一）數(shù)據(jù)

由可變距離測試實驗（一）分析可得：輸入直流電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，自適應頻率為60KHz條件下，隨著發(fā)射線圈與接收線圈距離增大，輸入電流逐漸減小，輸出電壓逐漸減小，輸出電流逐漸減小，電能傳輸效率逐漸減小。

4.4 可變距離測試實驗（二）

輸入直流電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，自適應頻率為80KHz，改變發(fā)射線圈與接收線圈的距離，記錄輸出電壓與輸出電流，計算電能傳遞效率?？勺兙嚯x測試實驗（二）數(shù)據(jù)記錄在表4中，如表4所示：

表4 可變距離測試實驗（二）數(shù)據(jù)

由可變距離測試實驗（二）分析可得：輸入直流電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，自適應頻率為80KHz條件下，隨著發(fā)射線圈與接收線圈距離增大，輸入電流逐漸減小，輸出電壓逐漸減小，輸出電流逐漸減小，電能傳輸效率逐漸減小。

4.5 帶負載測試實驗對比數(shù)據(jù)分析

由表1和圖2可得：輸入直流電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，在相同的可調(diào)負載阻值的條件下，自適應頻率為80KHz的電能傳遞效率明顯高于自適應頻率為60KHz的電能傳遞效率；自適應頻率為80KHz，達到最大效率后，效率減小幅度比自適應頻率為60KHz情況??；輸入電壓為恒定值15V，發(fā)射線圈與接收線圈距離為恒定值10cm，在不同自適應頻率下，該測試裝置達到最大電能傳遞效率時，輸出電流都在0.5A附近。

4.6 可變距離測試實驗對比數(shù)據(jù)分析

由表3和圖4可得：輸入電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，發(fā)射線圈與接收線圈距離相同時，自適應頻率為80KHz的電能傳遞效率明顯高于自適應頻率為60KHz的電能傳遞效率；輸入電壓為恒定值15V，可調(diào)負載阻值大小恒定為36Ω，發(fā)射線圈與接收線圈距離相同時，輸出電壓不同，但輸出電流值大小相近。

5 結(jié)論

利用電磁諧振耦合原理構(gòu)建的無線電能傳輸裝置,應用控制變量法研究了系統(tǒng)各個參數(shù)對電能傳輸效率的影響。測試實驗表明，電磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與電磁自適應頻率、線圈間距離以及負載電阻大小有緊密關(guān)系。（1）增大系統(tǒng)電磁自適應頻率可以提高電能傳輸效率；（2）線圈間距離對電能傳輸效率影響較大，當距離增大時，效率下降明顯；（3）測試實驗表明通過增大系統(tǒng)電磁自適應頻率可以進行補償，但這種補償作用隨著自適應頻率的升高而逐漸減弱。負載電阻對電能傳輸效率也有一定的影響，負載電阻增加會使效率提高，但負載增加到一定值后，傳輸效率會隨著負載電阻值的增大而下降。

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