多接收無(wú)線桌面充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

張柯煒，薛宇飛，強(qiáng) 浩，王昭淇，牛 輝

（1.常州大學(xué)海外教育學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.香港浸會(huì)大學(xué)理學(xué)院，香港 999077；3.常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164）

18世紀(jì)初期，電能與磁能之間的特殊關(guān)系第一次被人類所發(fā)現(xiàn)，奠定了電磁理論的基礎(chǔ)，從此人們邁向了電氣化嶄新的時(shí)代[1-2]。1894年，科學(xué)家尼古拉·特斯拉在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞较蛄硗庖粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室傳輸能量并成功點(diǎn)亮了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里的白熾燈，這一次的電能傳輸實(shí)驗(yàn)用了電磁感應(yīng)、共振感應(yīng)耦合等新興技術(shù)[3-4]。隨后的幾十年內(nèi)，特斯拉在島上建造Wardenclyffe塔，這位科學(xué)家希望將地球上的物體實(shí)現(xiàn)電離層共振，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)線電能傳輸，使得能量的傳遞變得方便簡(jiǎn)潔[5]。等到了1971年，任教于新西蘭奧克蘭大學(xué)的唐·奧托教授成功開(kāi)發(fā)出一個(gè)使用磁感應(yīng)供電的小型手推車。在1988年，該大學(xué)里的約翰教授帶領(lǐng)著他的一個(gè)電力研究小組，開(kāi)發(fā)出新型逆變器，制造出了世界上首個(gè)非接觸式電能傳輸?shù)哪Ｐ汀?0世紀(jì)中后期至今，無(wú)線電能傳輸成為各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題，這個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)受到許多人的重點(diǎn)關(guān)注。

1 系統(tǒng)傳輸特性分析

無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)主要通過(guò)交變的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，電磁耦合機(jī)構(gòu)由發(fā)射線圈和接收線圈組成。圖1為其結(jié)構(gòu)與等效電路圖。

圖1中，Uin為輸入的正弦交流電壓，LT和LR分別是兩線圈的自感，RT和RR分別為兩線圈的等效電阻，CT和CR分別是兩線圈在高頻下的分布式電容，IT和IR為兩線圈中的電流，RL和M為負(fù)載和兩線圈間的互感。URT表示發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值為jωMIT；UTR表示接收線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在發(fā)射線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值為jωMIR。

圖1 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其等效電路

利用KVL定律可以得到：

電磁耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射回路的輸入功率Pin、負(fù)載電阻RL上的輸出功率Pout及系統(tǒng)的效率η分別為：

當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈同時(shí)發(fā)生自諧振，即電磁耦合機(jī)構(gòu)通過(guò)諧振耦合進(jìn)行能量傳輸時(shí)，其輸出功率和傳輸效率最大。

2 發(fā)射線圈設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的發(fā)射線圈采用漆包線繞制的方案，適用于手機(jī)等小功率電子產(chǎn)品。3個(gè)發(fā)射線圈由3個(gè)正六邊形的小線圈排列而成，每一個(gè)線圈的每一層都采用并聯(lián)的方式將線圈與諧振電容相連。線圈內(nèi)部采用繼電器控制各個(gè)線圈的開(kāi)關(guān)，每一層線圈上都有一個(gè)繼電器，根據(jù)線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊的指令開(kāi)啟和關(guān)閉相應(yīng)的線圈。3個(gè)小線圈之間也采用繼電器相連接，在小線圈單獨(dú)工作時(shí)，3個(gè)線圈間的繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。線圈均采用六邊形繞法，發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 六邊型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)圖

圖2中，六邊形的邊長(zhǎng)為5 cm，通過(guò)LC諧振公式可以計(jì)算出這些線圈所需適配的外部諧振電容的值，仿真結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 線圈參數(shù)表

2.2 特性仿真

針對(duì)不同的接收情況，發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)也是不同的，本文采用60 kHz高頻電源分別對(duì)傳輸距離為1 cm下單線圈、雙線圈及三線圈的情況進(jìn)行了模型仿真及發(fā)射、接收線圈供電特性的仿真。

2．2．1 1個(gè)發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于一個(gè)發(fā)射線圈區(qū)域內(nèi)，其仿真結(jié)果如圖3所示，其中線圈的功率單位為W，線圈電流單位為A，線圈電壓?jiǎn)挝粸閂。

圖3 單線圈供電模型及特性

2．2．2 2個(gè)發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于2個(gè)發(fā)射線圈區(qū)域，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙線圈供電模型及特性

2．2．3 3個(gè)發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于3個(gè)發(fā)射線圈區(qū)域，其仿真結(jié)果如圖5所示。圖3—圖5中，顯然系統(tǒng)工作在60 kHz時(shí)，輸出功率最大。

圖5 三線圈供電模型及特性

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制的自適應(yīng)多接收無(wú)線桌面充電系統(tǒng)，主要由中央控制器模塊、區(qū)域檢測(cè)模塊、線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊等構(gòu)成，當(dāng)有接收設(shè)備放置在無(wú)線充電面板上時(shí)，多接收無(wú)線桌面充電系統(tǒng)可以自動(dòng)判斷識(shí)別接收線圈在無(wú)線充電平面上的位置，系統(tǒng)通過(guò)自適應(yīng)建立相對(duì)應(yīng)的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行供電，從而提高無(wú)線充電器的使用效率，避免能量的浪費(fèi)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 無(wú)線桌面充電系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 調(diào)試分析

多接收無(wú)線桌面充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于主控模塊、檢測(cè)模塊、顯示器模塊、線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊和發(fā)射線圈的協(xié)同工作。當(dāng)接收設(shè)備放置在充電平面上充電時(shí)，對(duì)應(yīng)的下方線圈啟動(dòng)，顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)發(fā)射線圈的狀態(tài)，“ON”為接通發(fā)射狀態(tài)，“OFF”為斷開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)接收設(shè)備充電指示燈亮，硬件實(shí)物圖的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同情況下測(cè)試結(jié)果

使用萬(wàn)用表測(cè)得發(fā)射模塊輸入電壓為5 V，電流125 mA，其中一個(gè)接收線圈輸出電壓4 V，當(dāng)串入1 kΩ電阻時(shí)，電流為4 mA，經(jīng)計(jì)算可得整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率約為2%。

4 結(jié)論

本文主要研究了一種基于諧振式的多接收無(wú)線桌面充電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)接收線圈所在的位置，自適應(yīng)形成供電方式，仿真研究了單線圈、雙線圈及三線圈的供電特性，最后進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用60 kHz的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)模塊，驗(yàn)證了方案的可行性。