韓曉坤 ，仝衛(wèi)國 ，宋凱兵

（華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

近年來，隨著電氣設(shè)備的不斷發(fā)展，移動設(shè)備充電問題逐漸成為人們關(guān)注的重點。傳統(tǒng)的移動設(shè)備是通過電源線直接充電，電源只能對單一設(shè)備進(jìn)行充電、充電效率低時間長。針對這一問題，研究無線充電技術(shù)就顯得意義重大，無線充電技術(shù)能有效的避免電氣設(shè)備之間因為接觸產(chǎn)生的電火花、導(dǎo)線的磨損而造成的電力中斷。此外，無線充電技術(shù)還具有高效率、靈活方便、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點[1]。

無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁諧振式、微波式三種，目前國際上無線充電的主流標(biāo)準(zhǔn)分為Qi、PMA和A4WP 3大標(biāo)準(zhǔn)[2]。其中磁諧振無線充電技術(shù)是一種新型的無線充電技術(shù)，它基于電磁諧振耦合原理綜合應(yīng)用諧振耦合技術(shù)、諧振補(bǔ)償技術(shù)、整流補(bǔ)償和穩(wěn)壓技術(shù)等，通過兩個具有相同諧振頻率的線圈產(chǎn)生的高頻交變的磁場，實現(xiàn)電能通過非接觸方式在一定距離上的傳輸。相對于傳統(tǒng)的接線式電能傳輸技術(shù)，該技術(shù)更具靈活性和實用性，能破除人們對電源線路的依賴，實現(xiàn)供電設(shè)備和用電設(shè)備之間

中遠(yuǎn)距離供電[3,4]。

1 電磁諧振式無線充電系統(tǒng)構(gòu)成

電磁諧振式無線充電系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括高頻逆變電路、空心線圈及諧振補(bǔ)償電路，其中高頻逆變電路為線圈提供高頻交變電壓；接收端包括另一空心線圈與諧振補(bǔ)償電路，以及整流濾波電路和負(fù)載電路。

圖1 電磁諧振式電能無線充電系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Configuration of electromagnetic resonant wireless power transmission system

本系統(tǒng)設(shè)計的電磁諧振式無線充電系統(tǒng)中，直流電源DC=12 V（最大功率12 W），高頻逆變電路是基于IR2104的半橋逆變電路：其中驅(qū)動方波PWM由單片機(jī)產(chǎn)生；發(fā)射與接收電路都是采用的電容串聯(lián)補(bǔ)償電路；整流電路采用的是全橋整流電路，負(fù)載電路包含穩(wěn)壓模塊與用電裝置。

2 電磁諧振式無線電能傳輸?shù)奶匦苑治?/h2>

2.1 電磁諧振式無線電能傳輸模型

首先，將系統(tǒng)簡化為圖2所示的等效電路模型。一個完整的電磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)包括：高頻功率源，兩個諧振耦合空心線圈，補(bǔ)償電容以及負(fù)載。

圖2 電磁諧振式無線傳輸電路簡化模型Fig.2 The simplified model of wireless transmission of electromagnetic resonant circuit

有上述電路模型，根據(jù)KVL列寫出回路方程為：

進(jìn)一步得到諧振耦合系統(tǒng)模型無線傳輸?shù)男蕿?/p>

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，電壓和電流的相角必須為0，故系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下，輸入回路和接受回路的等效阻抗分別為：Z1= R1，Z2= R2+RL

2.2 電磁諧振式無線電能傳輸特性分析

由式（5）可知，系統(tǒng)傳輸效率與負(fù)載有著直接的關(guān)系，且與線圈直接的互感M密切相關(guān)。時傳輸效率η 有最大值，此時故并不是互感越大，系統(tǒng)的傳輸效率最大，而是在互感與阻抗相匹配時，系統(tǒng)才有最大的傳輸效率，即存在一個最佳的傳輸距離[5,6]。

3 實驗結(jié)果及分析

在實驗過程中，為方便觀察傳輸效果，負(fù)載端并沒有接入蓄電池，而是接入一個小LED燈與1 k的電阻。重點測量了頻率、線圈半徑、線圈線徑對系統(tǒng)的影響，并接入不同電阻負(fù)載分析系統(tǒng)的傳輸效率，以及當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈的幾何大小不一致時，系統(tǒng)的工作狀況。

3.1 不同諧振頻率對系統(tǒng)的影響

保證系統(tǒng)諧振狀態(tài)及其他參數(shù)一致，通過串聯(lián)不同的補(bǔ)償電容改變系統(tǒng)諧振頻率，得到實驗結(jié)果如圖3所示，在一定頻率的范圍內(nèi)，較高的頻率可以有效的提高輸出功率及傳輸效率。隨著距離的增大，頻率的高低對輸出功率的影響不再那么明顯。

圖3 不同諧振頻率下，各個耦合距離上的負(fù)載端電壓Fig.3 The load voltage of respective coupling distance in different resonance frequencies

3.2 不同線圈線徑對系統(tǒng)的影響

在保持其他參數(shù)一定，改變線圈線徑，得到實驗結(jié)果如圖4所示，線徑越大，負(fù)載端電壓值越高，輸出功率越高。

3.3 不同線圈半徑對系統(tǒng)的影響

在保持其他參數(shù)一致，通過改變線圈半徑，得到實驗結(jié)果如圖5所示，在相同的耦合距離上，半徑越大的線圈其負(fù)載端電壓值越大,系統(tǒng)無線傳輸?shù)挠行Ь嚯x也隨著線圈半徑增大而增大。

圖4 不同線圈線徑下，各個耦合距離上的負(fù)載端電壓Fig.4 The load voltage of respective coupling distance in different coil diameter

圖5 不同線圈半徑下，各個耦合距離上的負(fù)載端電壓Fig.5 The load voltage of respective coupling distance in different coil radius

3.4 發(fā)射與接收線圈參數(shù)不一致對系統(tǒng)影響

發(fā)射接收線圈參數(shù)不一致時，得到實驗結(jié)果如圖6所示，在較近的耦合距離上，發(fā)射與接收線圈參數(shù)一致時，系統(tǒng)的傳輸效果要優(yōu)于參數(shù)不一致的情況，而隨著耦合距離的增加，發(fā)射小接收大的傳輸效果優(yōu)于其他兩種情況，發(fā)射大接收小效果相比其他兩種情況差一些。

圖6 各個耦合距離上負(fù)載端電壓值Fig.6 The load voltage of respective coupling distance

3.5 不同負(fù)載下的傳輸效率

保持其他參數(shù)一致，接入不同負(fù)載，得到實驗結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)的傳輸效率在耦合距離較近時隨著負(fù)載的增大而增大，且隨著耦合距離的增加，負(fù)載越大傳輸效率下降的越快。

圖7 不同耦合距離上，各個負(fù)載的傳輸效率Fig.7 The transmission efficiency of individual loads in different coupling distances

4 總結(jié)

根據(jù)以上的多個實驗研究得出：電磁諧振式無線充電系統(tǒng)受著多種因素的影響，其中較為重要的因素包括，諧振頻率、耦合線圈半徑、線徑、負(fù)載等。諧振頻率與半徑的大小對電能傳輸距離有著明顯的影響，尤其是線圈的半徑，最小半徑線圈與最大線圈的有效距離幾乎能差一倍左右。

針對于更高的頻率，對系統(tǒng)的硬件要求就更加嚴(yán)格，比如在本實驗設(shè)計的系統(tǒng)中，頻率超過350 kHz，效果反而會變差，這是由于在高頻率下，開關(guān)管的工作能力下降，系統(tǒng)不能處于良好的工作狀態(tài)，另外在確定的負(fù)載阻抗下，不同的諧振頻率還會涉及到阻抗匹配問題。

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)接入的負(fù)載是不能夠改變的，但應(yīng)該通過其他辦法使系統(tǒng)能夠更好地跟負(fù)載進(jìn)行匹配，才能找到一個更好的工作距離范圍，不能單純的認(rèn)為距離近效果就好。

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