關(guān)于提高無線充電裝置傳輸距離的討論

韓佳蓉

【摘 要】在近場(chǎng)無線充電系統(tǒng)中，通過使用彎曲的諧振繼電器可以達(dá)到擴(kuò)大傳輸距離的作用。近場(chǎng)無線充電設(shè)備基于近場(chǎng)電磁線圈耦合。系統(tǒng)可以在短距離范圍內(nèi)傳遞能量，大部分應(yīng)用器件都采用接觸式以保證能量傳遞的效率，而隨著各個(gè)領(lǐng)域的興起和發(fā)展，越來越多的無線充電系統(tǒng)對(duì)距離的擴(kuò)大有著需求，通過研究無線充電系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，其傳輸距離取決于系統(tǒng)本身如耦合線圈及外部電路。在近期的學(xué)術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，使用平面諧振繼電器可以起到擴(kuò)大傳輸距離的作用。這也解決了一些新領(lǐng)域?qū)鼒?chǎng)無線充電技術(shù)的需求，如在醫(yī)療領(lǐng)域中對(duì)微型胃鏡膠囊進(jìn)行充電、新能源汽車的長途充電路段。文章討論的使用彎曲的諧振繼電器的概念最初來源于對(duì)線圈結(jié)構(gòu)的改進(jìn)思考，但存在的問題是對(duì)線圈彎曲度的選取，還需要通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)確定。

【關(guān)鍵詞】無線電能傳輸;諧振繼電器;彎曲線圈模型

【中圖分類號(hào)】TM724 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）06-0120-02

近幾年，無線電能傳輸設(shè)備一直在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用，且在國防、醫(yī)療等重要領(lǐng)域有所涉獵，而傳輸系統(tǒng)的傳輸距離也是目前有待解決的重要問題之一。如今，無線充電裝置在外形上的突破已經(jīng)得到了很多方面的發(fā)展，未來無線充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要是解決其能量傳遞效率不高、傳遞距離不能太遠(yuǎn)等問題。此外，對(duì)于非輻射無線功率傳輸，由于輕微的錯(cuò)位就會(huì)嚴(yán)重影響功率傳輸效率，因此嚴(yán)格要求發(fā)射和接收線圈之間的精確對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致電力只能在很短的范圍內(nèi)傳輸。在某些情況下，這些缺點(diǎn)可能會(huì)限制非輻射無線功率傳輸在可植入設(shè)備上的應(yīng)用。

1 無線電能傳輸基本原理

無線充電技術(shù)基于變壓器原理，原邊線圈是發(fā)射端，副邊線圈是接收端，如果接收端帶動(dòng)的負(fù)載是一個(gè)充電電路，那么最近基本的無線充電功能就得以實(shí)現(xiàn)了。在工作過程中發(fā)射端需要知道接收端是否存在，何時(shí)給接收端供電、何時(shí)停止，所以在發(fā)射與接收端之間需要建立通信。這種通信可以通過負(fù)載調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收端負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，在均勻的時(shí)間間隔t內(nèi)接收端波形周期性變化，發(fā)射端會(huì)檢測(cè)到這一波形，進(jìn)行分析和反饋，從而得到數(shù)據(jù)。發(fā)射線圈與接收線圈的物理模型如圖1所示，能夠影響傳遞效率的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電感L。

2 對(duì)增加無線傳輸距離的進(jìn)一步探討

2.1 電路模型及系統(tǒng)分析

發(fā)射線圈連接著一個(gè)固定的頻率驅(qū)動(dòng)裝置。設(shè)定發(fā)射端的頻率，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保證發(fā)射端頻率不變。在發(fā)射線圈與接收線圈中間的諧振繼電器由繼電器線圈和匹配的電容C1組成。接收線圈與一個(gè)電容C2并聯(lián)，輸入的交流電經(jīng)過電橋得到整流，經(jīng)過調(diào)整的直流電會(huì)流經(jīng)一個(gè)可變的負(fù)載電阻R，負(fù)載上并聯(lián)電壓表測(cè)量電壓V，可計(jì)算出接收到的直流電功率，計(jì)算公式為V2/R。實(shí)驗(yàn)過程中通過改變R的阻值可以計(jì)算出最大傳輸功率。

2.2 彎曲線圈模型

測(cè)試中使用符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈，線圈自身電感系數(shù)約11μH，實(shí)驗(yàn)中可選用粗細(xì)為300 mm的線圈，保證線圈相對(duì)比較靈活，以便制造彎曲形變。在實(shí)驗(yàn)開始前，需要先測(cè)量線圈的自感系數(shù)隨彎曲程度的變化函數(shù)，從而選取實(shí)驗(yàn)中線圈的彎曲度。在做實(shí)驗(yàn)的過程中，可選擇3組不同彎曲度的線圈，其中一組必須是所求最大自感系數(shù)下的線圈彎曲度。其他兩組的彎曲度有一組是0，另一組比已選定彎曲度大。

3個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射線圈都是不彎曲的且都有鐵氧體的背板，鐵氧體的磁性能表現(xiàn)為在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率。發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離是d，中間線圈距離發(fā)射線圈和接收線圈的距離相等，都是d/2。3個(gè)系統(tǒng)中的線圈彎曲程度依次增加。

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證明，線圈在有一定彎曲度的情況下相比沒有彎曲度的情況，無論是否有諧振繼電器，傳遞的效率和功率都有所提高。在同組內(nèi)，當(dāng)距離提高到20 mm時(shí)，線圈有彎曲度的組的效率和最大功率的衰減相對(duì)較少。所求最大自感系數(shù)下的線圈彎曲度組在有諧振繼電器作用下，是各組中能量傳輸效率最高且接收功率最大的，并且相比其他組有顯著的改觀。以上結(jié)論可以證明，使用彎曲的諧振繼電器可以有效地提高能量傳輸效率和最大接收能量，并且在傳輸距離問題上實(shí)現(xiàn)了很大的改觀。

3 結(jié)語

本文討論了使用彎曲的諧振繼電器增大無線電能傳遞距離的問題。首先建立了1個(gè)基礎(chǔ)測(cè)試平臺(tái)、2套彎曲程度不同的線圈系統(tǒng)。其次參考利用平面諧振繼電器解決傳輸距離問題的方法，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)裝置。其中，需要進(jìn)行的關(guān)鍵步驟是最適電容值的試驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中保證電容值不變。最后設(shè)定線圈彎曲度，在不同彎曲度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得出結(jié)果。該技術(shù)適用于很多設(shè)備，特別是對(duì)于工作過程中可調(diào)整的線圈。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]