無線功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用

彭若晨，閆妍

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

無線功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用

彭若晨，閆妍

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

為了使無線功率傳輸在給多個設(shè)備充電時不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，例如實驗移動設(shè)備（如移動手機）放在無線傳輸設(shè)備附近能夠?qū)崿F(xiàn)充電，可以通過改變手機等設(shè)備的位置，角度，離發(fā)射設(shè)備的距離等實現(xiàn)無線充電。為了這解決了長期以來的兼容性難題，擬用電容性電能傳輸（CPT），應(yīng)用AD-DC，DC-AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)對移動設(shè)備的充電。通過改進設(shè)計，無論是整流橋還是偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實現(xiàn)。實驗應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能提高無線功率傳輸效率90%。

無線傳輸；磁耦合；功率發(fā)射器；AC/DC

由于顧客便捷性的充電需求，很多公司加入了于2008年成立的無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC），并建立了一個通用的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn) （QI）。該標(biāo)準(zhǔn)使得不同型號，不同國家，不同電源需求的手提設(shè)備可以共用一個電源,多個設(shè)備在充電時不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，這解決了長期以來的兼容性難題。但是僅WPC標(biāo)準(zhǔn)下的功率傳輸效率不高，研究目標(biāo)在于減少電能的無線傳輸損耗，實現(xiàn)為小功率的便攜移動設(shè)備電池進行充電。

1 通過電磁耦合實現(xiàn)無線傳輸及其優(yōu)點

盡管聲耦合和光耦合也在發(fā)展，但是電磁耦合是最有效率的。傳統(tǒng)的感性傳輸技術(shù)（IPT）存在明顯的局限性。因為有其不能穿過金屬屏障，傳輸效率低，易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，能實現(xiàn)通道間的遠距離能量傳輸，通過優(yōu)化功率變換電路及無功功率的補償，可以盡最大可能地提高能量傳遞效率，從而有效地傳輸能量。實驗研究了電感螺線圈直徑和傳輸裝置電路開關(guān)管工作時間對傳輸功率的影響[1]。我們團隊擬用電容性電能傳輸（CPT），應(yīng)用AC-DC，DC-AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)對移動設(shè)備的充電。

無線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁感應(yīng)的特點可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化電容結(jié)構(gòu)。因此CPT最顯著的優(yōu)勢是它的低功率損耗，成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個優(yōu)選的解決方案。出于這個原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無線牙刷充電器，或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點。

對于感性傳輸技術(shù)來說，CPT有以下特點：

1)CPT是基于電場耦合的，所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。

2)一個完整的CPT系統(tǒng)至少含有兩對耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環(huán)電流。

3)當(dāng)耦合板間有金屬屏障時，這種耦合可被認(rèn)為是兩個電容的串聯(lián)，這意味著CPT能夠通過金屬屏障來傳輸能量。

4)相比于IPT來說,CPT系統(tǒng)因為大多數(shù)電場封閉在連接板體積內(nèi)，電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。

5)除去了重而昂貴的磁性材料和線圈，電路的尺寸可被減小。無線電池充電器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 無線電池充電器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless battery charger structure

功率發(fā)射器連接在電網(wǎng)上，功率接收器集成在移動設(shè)備上。功率發(fā)出和功率接受是靠磁耦合。經(jīng)過AC-DC和DCAC轉(zhuǎn)換，發(fā)出功率在合理控制共振箱的基礎(chǔ)上再由AC-DC轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無線供電技術(shù)這種新型的供電方式不但可以使無線供電的距離提升到米級范疇,突破了無線能量傳輸距離這個瓶頸,同時還會分離開用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接,這樣在提高用電設(shè)備的美觀,實用性的同時,還可以改善用電設(shè)備的安全性[2]。

無線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁根據(jù)需要與不縮小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優(yōu)勢是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個優(yōu)選的解決方案。出于這個原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無線牙刷充電器，或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點來實現(xiàn)。印刷和MEMS技術(shù)[13]在應(yīng)用程序CPT表明承諾的進步，這些驗收技術(shù)在消費電子應(yīng)用。

2 使用開關(guān)電源提高功率效率

在以往的結(jié)構(gòu)中，功率效率是通過電阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，它引入了一個嚴(yán)重降低效率且平行于橋式整流器電阻負載。交流-直流整流器是由一個全波整流器來實現(xiàn)。在這樣的電路中，功率效率在很大程度上受這兩種傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。此外，功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場合帶來更方便的供電，如水下檢測、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合諧振式無線供電技術(shù)具有良好的應(yīng)用價值和研究意義[3]。

改進設(shè)計，無論是整流橋和偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實現(xiàn)。另外，接收器架上的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，因此與使用二極管和電阻的常規(guī)系統(tǒng)相比，功率損耗被嚴(yán)重降低。

3 技術(shù)路線

3.1 基于電容耦合的非接觸電能傳輸技術(shù)(CPT)

遠距離功率傳輸?shù)年P(guān)鍵問題是減少損耗，提高效率，就目前的科技水平，即使是近距離傳輸?shù)男室搽y以與有線傳輸相比，所以感性傳輸技術(shù)顯得尤為重要。根據(jù)需要，參考了兩種耦合結(jié)構(gòu)，它們都由兩對金屬板組成，每對金屬板間的耦合距離為1 mm。

圖2所示為碟形結(jié)構(gòu)，兩個圓盤形成了一對耦合板，下面的圓盤靜止不動并連在輸入電源上，上面的圓盤旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負載上。

圖2 碟形耦合結(jié)構(gòu)Fig.2 Disc coupling structure

圖3 所示為柱形結(jié)構(gòu)，圓柱1和2形成了一對耦合板，圓柱3和4形成了另一對。兩個外部的圓柱靜止不動并連在輸入電源上，兩個內(nèi)部的圓柱旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負載上。

圖3 圓柱形結(jié)構(gòu)Fig.3 Cylindrical structure

可以證明，對于上述結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)兩對耦合板的耦合面積相等且板的總面積保持相同時，總的等效電容達到最大值。設(shè)計負載由多個最大阻值為1.3 Ω的傳感器組成，其結(jié)果是，柱形結(jié)構(gòu)的等效電容最大值是碟形結(jié)構(gòu)的三倍，因此選用柱形結(jié)構(gòu)作為優(yōu)先型[4]。典型的基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖4所示,直流輸入電壓Edc經(jīng)過功率逆變器變換成高頻交流電壓,并作為原邊金屬板的輸入電壓,當(dāng)副邊的兩塊金屬板與之鄰近且存在電位差的時候,原邊的交變電場就會對副邊金屬板產(chǎn)生感應(yīng),從而實現(xiàn)電場耦合并向負載Rl供能[5]。

圖4 無觸點電力傳輸系統(tǒng)Fig.4 Non-contact power transmission system

CPT系統(tǒng)的電路拓撲如圖5,在原邊,直流電源Edc與直流電感Ld共同組成準(zhǔn)電流源,S1～S4構(gòu)成高頻能量變換環(huán)節(jié),通過與這兩個開關(guān)對180°交互導(dǎo)通。這兩對開關(guān)管通過ZVS (zero voltage switching)的工作方式進行切換,即通過檢測Vcp的過零點來完成開關(guān)對的切換過程,實現(xiàn)正反向兩種能量注入模式。由于切換過程在過零點進行,其開關(guān)切換損耗在理論上為零。在電路中,CS的等效串聯(lián)電阻ESR如下：

圖5 CPT系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 CPT system topology

根據(jù)以上分析,通過將逆變網(wǎng)絡(luò)輸出端電路(虛線)看出二端口網(wǎng)絡(luò),可以建立諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路,如圖6所示。

圖6 諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路Fig.6 The equivalent circuit of the resonant network

在電路中,Cp構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),CS2為原副邊電容耦合板的等效電容,調(diào)諧電感LS與CS1、CS2構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

3.2 開關(guān)電源

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。 開關(guān)電源可以分為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離 式DC/DC轉(zhuǎn)換器。簡單地說,開關(guān)電源的工作原理如下:

1)交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2)通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;

3)開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載。

4)輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的。

在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,因而，與普通開關(guān)相比，開關(guān)電源可以用較小的體積實現(xiàn)較大的功率傳輸，且損耗較小。并通過將這種方法應(yīng)用到實際ICPT系統(tǒng)中以驗證該方法的有效性[6]。

與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。開關(guān)電源伯特圖脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

4 結(jié)束語

無線功率傳輸作為朝陽產(chǎn)業(yè)，有著廣闊的前景和應(yīng)用背景。會對人類未來的能源傳輸方式產(chǎn)生變革式的影響。其特點是損耗小，安全，方便，可以在特殊情況下使用。需要解決的問題是感性傳輸技術(shù)和開關(guān)電源的應(yīng)用，提高效率，改善結(jié)構(gòu)。

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[2]竇延軍.一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué),2013.

[3]周甜,萬隆君,徐軼群.磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)特性研究[J].中國科技信息,2012(24):43-44.

ZHOU Tian,WANG Long-Jun,XU Yi-qun.Magnetically coupled resonant wireless energy transmission system characteristics[J].China Science and Technology Information, 2012(24):43-44.

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[6]李硯玲.基于μ綜合的ICPT系統(tǒng)魯棒控制研究 [D].重慶：重慶大學(xué),2012.

Portable w ireless power transm ission device application

PENG Ruo-chen,YAN Yan
（Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China）

In order to make the wireless power transmission device is no longer needed the power supply line and a large charging devices,e.g.,test mobile devices(e.g.mobile phone)in the vicinity of the wireless transmission equipment can achieve charging,mobile phones and other devices by changing the position of,angle,distance from a transmitting device for wireless charging.In order to solve this long-standing problem of compatibility,we could use the capacitive power transmission(CPT), the application AD-DC and DC-AC converter technology of the mobile device charging.By improving the design,whether it is the Rectifier Bridge or bias network,we are to improve efficiency through the use of switching power supply.This solution is more suitable than the conventional architecture of an integrated circuit(IC)implementation.Experimental application reveals that the system can improve efficiency of wireless power transmission of 90%.

wireless transmission;magnetic coupling;power transmitter;AC/DC

TN919

A

1674－6236（2015）10-0083-03

2015-03-16 稿件編號：201503208

彭若晨(1994—)，男，河北曲陽人。研究方向：電氣工程及其自動化。