一種并聯(lián)諧振無(wú)線傳能裝置的設(shè)計(jì)

徐廣廣 劉藝柱 付士淼 孫浩元

基金項(xiàng)目：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：無(wú)人駕駛搬運(yùn)車（AGV小車）科普資源包的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；項(xiàng)目編號(hào)：22KPXMRC00030。天津市市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：提升電子天平測(cè)量精度的研究；項(xiàng)目編號(hào)：202212105009。

作者簡(jiǎn)介：徐廣廣（2001— ），男，江西豐城人，本科生；研究方向：無(wú)線傳能技術(shù)應(yīng)用。

*通信作者：劉藝柱（1975— ），男，山西臨汾人，副教授，碩士；研究方向：自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用。

摘要：磁耦合諧振式無(wú)線傳能傳輸技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)中等距離高效率能量傳輸?shù)募夹g(shù)，具有良好的隔離性能，然而現(xiàn)階段研究依然存在傳輸效率低、性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。文章介紹了一種采用RLC并聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)的磁耦合諧振式無(wú)線傳能裝置。該設(shè)計(jì)采用環(huán)形振蕩電路產(chǎn)生高頻信號(hào)、高速TTL反相器對(duì)振蕩電路輸出的波形整形，并通過(guò)MOS管對(duì)輸入的方波信號(hào)進(jìn)行放大，采用自制線圈可以實(shí)現(xiàn)RLC諧振，從而進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)無(wú)線傳能效率較高，可達(dá)到55%。文章設(shè)計(jì)的無(wú)線傳能裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，且性能可靠，在小型無(wú)線用電設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：RLC并聯(lián)諧振；磁耦合諧振；無(wú)線傳輸；環(huán)形振蕩；高頻信號(hào)；自制線圈

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)逐漸推廣，目前常用電磁感應(yīng)式或磁耦合諧振式兩種傳輸方式進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。其中磁耦合諧振式能量傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)中距離、大功率的能量傳輸，安全系數(shù)高，靈活性高［1-2］，因此磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，在很多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景［3-4］。目前電動(dòng)汽車無(wú)線充電、移動(dòng)設(shè)備充電、植入人體心臟起搏器電池充電等裝置都已使用電磁感應(yīng)耦合方式的無(wú)線電能傳輸技術(shù)［5-6］。

電磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)幕驹?，是在一定距離范圍內(nèi)，利用兩個(gè)相同諧振頻率的電磁系統(tǒng)，通過(guò)電磁耦合諧振，使電能在兩線圈間不通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)行無(wú)線傳輸，利用耦合線圈以及與線圈相連接的電容器，從而構(gòu)成諧振電路，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸［7-8］?，F(xiàn)階段人們對(duì)于電磁耦合的無(wú)線傳能技術(shù)的理論研究已逐漸成熟，然而依然存在傳輸效率低、傳輸距離近、性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化無(wú)線傳能電路，研究出一套傳輸性能好、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電路具有重要意義［9］ 。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)如果傳輸效率同等情況下，使用四線圈可以更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配［10-11］。因此，系統(tǒng)中實(shí)際使用四線圈進(jìn)行耦合。

1 電路系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本無(wú)線傳能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)由以下幾部分組成：高頻正弦信號(hào)發(fā)生和功率放大電路、發(fā)射線圈和諧振初級(jí)線圈、諧振次級(jí)線圈、接收線圈以及整流電路和負(fù)載。其中發(fā)射線圈與功率放大電路相連接，接收線圈與整流電路相連接，電路系統(tǒng)的核心部件是兩個(gè)諧振線圈，諧振線圈是否發(fā)生諧振決定電路的傳輸效率。

2 RLC并聯(lián)諧振原理分析

本設(shè)計(jì)方案采用RLC并聯(lián)諧振方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳能，RLC并聯(lián)電路原理如圖2所示，電感線圈用R和L串聯(lián)組合表示，電感線圈的阻抗為R，感量為L(zhǎng)，感抗為XL；電感線圈與電容器C并聯(lián)，構(gòu)成了RLC并聯(lián)電路，電容的容量為C，容抗為XC。電路工作電壓為U·，頻率為f，流過(guò)線圈支路的電流為IRL·，流過(guò)電容支路的電流為IC·。

電路中電壓U與電流I的相位關(guān)系如圖3所示，可以看出，并聯(lián)電容后電流、電壓之間的相位角從ΦRL減小到。=0時(shí)，即電壓與電流同相位，此時(shí)電路發(fā)生諧振，簡(jiǎn)稱并聯(lián)諧振。電容支路電流完全抵消了RL串聯(lián)支路電流的無(wú)功分量，電路的總電流為RL串聯(lián)支路電流的有功分量［12］。

由相量圖可得：

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 振蕩電路及信號(hào)整形電路

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。本設(shè)計(jì)方案中采用環(huán)形振蕩電路實(shí)現(xiàn)高頻振蕩，用U1（CD4069）中的3個(gè)非門(mén)組成一個(gè)可調(diào)頻率的環(huán)形振蕩電路。電路的振蕩是通過(guò)電容C1充放電完成的，振蕩頻率可通過(guò)滑動(dòng)變阻器R1的阻值調(diào)節(jié)，這種振蕩電路輸出為矩形方波。

由于方波輸出的振蕩信號(hào)電壓最大振幅為0～5 V，為充分驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)電路，使用U1中的另外3個(gè)非門(mén)反相器對(duì)振蕩電路輸出的波形整形，并提高輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。

3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒(méi)有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開(kāi)關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。但功率MOSFET的極間電容較大，在開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程中，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路為不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低，適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。因此本設(shè)計(jì)中以三極管Q1和Q2構(gòu)成的乙類推挽電路驅(qū)動(dòng)MOS管Q3，對(duì)輸入的方波信號(hào)進(jìn)一步放大。

3.3 線圈設(shè)計(jì)

電磁諧振無(wú)線傳能系統(tǒng)性能會(huì)受線圈的各項(xiàng)參數(shù)影響，因此設(shè)計(jì)合適的線圈參數(shù)對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的性能是至關(guān)重要的［13］。對(duì)于磁耦合諧振式用到的線圈主要有螺線管式和平面螺旋式兩種，螺線管式結(jié)構(gòu)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻且方向性好，同時(shí)產(chǎn)生的距離遠(yuǎn)和效率高。而平面螺旋線圈使得線圈厚度很薄，非常適宜體積較小的用電設(shè)備，可以使得整個(gè)系統(tǒng)趨于微型化，其不足之處在于，該線圈對(duì)發(fā)射與接收線圈的位置有非常嚴(yán)格的要求，兩線圈的中心一旦偏離，會(huì)使能量傳輸效率急劇下降。

本設(shè)計(jì)方案中發(fā)射和接收線圈L1、L2均采用平面螺旋式繞法，線徑1mm，線圈內(nèi)徑75mm，匝數(shù)4匝，根據(jù)Harold A. Wheeler近似公式：

式（6）～（7）中，Di是線圈內(nèi)徑，N是線圈匝數(shù)，ω是線圈線徑，s是匝間距離，計(jì)算求得線圈電感值為2.73 μH。

3.4 接收回路及負(fù)載

能量接收回路由接收線圈、整流電路、負(fù)載等部分組成，整流橋堆D1將接收的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量驅(qū)動(dòng)負(fù)載，負(fù)載R5選用1 W的LED。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了保證諧振無(wú)線傳能裝置高效工作，首先要保證發(fā)射和接收線圈L1、L2與所匹配的電容具有相同的諧振頻率。由于電感、電容制造過(guò)程中，每一個(gè)都存在著與標(biāo)稱值之間的誤差，因此對(duì)線圈L1、L2并聯(lián)的電容在前面理論計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)電容參數(shù)進(jìn)行微調(diào)整，確保它們具有相同的諧振頻率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整輸入頻率f，測(cè)試短路電流、開(kāi)路電壓以及輸入電壓、電流，計(jì)算得到表1所示數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于或者低于諧振頻率時(shí)，RLC并聯(lián)諧振電路失諧，阻抗迅速減小，信號(hào)電流明顯增大。由于RXL，ΦRL≈90°，I1·≈-I·C，I1≈ICI，I≈0，因此，并聯(lián)諧振時(shí)電路的阻抗模|Z0|較大，電流也就較小；從表1可以看出在頻率為3 MHz時(shí)，電路為諧振狀態(tài)，輸入電流為45.3 mA，電流為最小值，與理論相符。同時(shí)此時(shí)得到最大的傳輸效率為55%，如圖5所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

把調(diào)試好的線圈組裝入無(wú)線傳能裝置，觀察負(fù)載LED的亮滅以及亮度的變化，間接地反映了諧振線圈調(diào)試是否一致。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率f為3.0 MHz，最接近電路的固有頻率f0（2.8 MHz）時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，此時(shí)電路的阻抗最大，且為純阻性，LED最亮，能量傳輸效率也最高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種使用RLC并聯(lián)諧振的無(wú)線充電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此設(shè)計(jì)傳輸效率較高，最高效率可達(dá)約55 %。本系統(tǒng)采用環(huán)形振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)，采用磁耦合式無(wú)線傳輸方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳輸效率較高，穩(wěn)定性較好，具有很好的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在使用簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。在無(wú)線傳能設(shè)備中，尤其是小型無(wú)線用電設(shè)備中等可以采用此類電路，未來(lái)市場(chǎng)前景較好。

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（編輯 李春燕）

Abstract： Magnetic coupling resonance wireless energy transmission technology is a technology that can realize medium distance and high-efficiency energy transmission， and has good isolation performance. However， the current research still has the phenomenon of low transmission efficiency and unstable performance. This paper introduces a magnetic coupling resonant wireless energy transmission device realized by RLC parallel resonance. The design uses a ring oscillation circuit to generate high-frequency signal， a high-speed TTL inverter to shape the output waveform of the oscillation circuit， and amplifies the input square wave signal through MOS tube. The RLC resonance can be realized by using a self-made coil for signal transmission. The experimental results show that， The wireless energy transmission efficiency of the system is high， which can reach 55%. The wireless energy transmission device has the advantages of simple structure， low cost， easy implementation and reliable performance. It has a good application prospect in small wireless electrical equipment.

Key words： RLC parallel resonance; magnetically coupled resonance; wireless transmission; ring oscillation; high frequency signal; self-made coil