李瓊+陳穎+王福艷

摘要：該文介紹了一種采用磁耦合共振方式進行無線能量傳輸?shù)穆菪炀€，該天線的諧振頻率為19.3MHz，在傳輸距離為18cm時，具有70%以上的傳輸效率，證明了該天線用于強磁耦合無線能量傳輸時具有較遠的傳輸距離和較高的傳輸效率。

關(guān)鍵詞：磁耦合；共振系統(tǒng)；螺旋線圈；傳輸效率

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0261-03

1 概述

據(jù)中國無線充電行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告預(yù)測，全球無線充電市場將在未來出現(xiàn)大幅增長。電動車技術(shù)發(fā)展至今已持續(xù)一段時間，電池容量、壽命、充電時間與充電設(shè)備普及等問題與電動車行駛里程、充電時間和充電便利性密切相關(guān)。電動車無線充電技術(shù)或許是解決這些問題的辦法。

電動車無線充電技術(shù)的發(fā)展，可分為多種不同類型，但無論哪種技術(shù)，其傳輸效率是使用者最關(guān)心的參數(shù)之一，也是無線電力傳輸系統(tǒng)最重要的議題之一，因此課題針對共振式無線電力傳輸系統(tǒng)的共振線圈進行設(shè)計和分析，以期實現(xiàn)高效率的無線充電系統(tǒng)。

2 天線設(shè)計

2.1 無線充電系統(tǒng)

一般無線充電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為發(fā)送端與接收端兩個子系統(tǒng)，一般來說，發(fā)送與接收線圈設(shè)計一致。市電經(jīng)由AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再由DC/AC轉(zhuǎn)換器將電力轉(zhuǎn)換為所需電壓的交流電，其中最重要的是需與發(fā)送/接收線圈的共振頻率匹配，才能達到較好的傳輸效率。激勵發(fā)送線圈可使其共振而產(chǎn)生一個共振磁場，若接收線圈置于磁共振磁場內(nèi)，則會受到激勵而產(chǎn)生共振，在線圈上產(chǎn)生電壓和電流，從而實現(xiàn)無線電力傳輸。以一般應(yīng)用來說，無線輸電系統(tǒng)的負載需要直流電，所以需要整流器，然后由DC/DC轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓標(biāo)準(zhǔn)，例如一般手機充電為5V。

2.2 等效電路分析

無線充電系統(tǒng)的等效電路如圖2所示，磁共振耦合由LC共振產(chǎn)生、經(jīng)由電磁耦合進行電力傳輸，沒有輻射電磁波，因此，磁耦合與電耦合可分別以互感和互容代表。

圖中L與C 分別為線圈的自感值與電容值，由系統(tǒng)的分布參數(shù)決定，兩線圈的耦合以互感（Lm ）表示，Z0表示特性阻抗，線圈的電阻損失與輻射損失以R表示。傳輸系數(shù)S21如式（1）所示，其中w為系統(tǒng)工作的角頻率，由于線圈的R值相對較小故可忽略不計，Z0為系統(tǒng)的特性阻抗，其值為50Ω，因此S21可被表示為：

2.3仿真結(jié)果

本文論述的磁耦合無線充電系統(tǒng)天線如圖3所示，振線圈構(gòu)型為螺旋形，且為開路型式。線圈所使用的導(dǎo)線線徑為3.2mm，線徑大可以降低內(nèi)阻，提高傳輸效率。線圈的半徑為150mm。

按預(yù)設(shè)參數(shù)使用Ansoft HFSS13進行系統(tǒng)仿真，圖4至圖8顯示了仿真結(jié)果。圖4顯示，當(dāng)收發(fā)天線間距離為150mm時，正如公式（3）和（4），天線有兩個諧振頻率。而圖5至圖7顯示，收發(fā)天線間距離為180mm時，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-1.396dB，傳輸效率為72.6 %；距離為200mm時，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-1.53dB，傳輸效率為70.6 %；距離為260mm時，系統(tǒng)諧振頻率19.3 MHz，S21約-3.39dB，傳輸效率為45.8 %。結(jié)果表明，隨著收發(fā)天線間距離的增加，兩個諧振頻率逐漸靠近最后合為一個工作頻率，傳輸效率也是先增大后減小。

2.4實測結(jié)果

按預(yù)定參數(shù)制成的線圈如圖8所示，線圈的特性用向量網(wǎng)路分析儀進行測量，實測圖如圖9所示，經(jīng)實測發(fā)送線圈和接收線圈的容抗和感抗在共振頻率時值非常接近。線圈實測的傳輸距離與效率之間的關(guān)系如圖10所示。傳輸距離18cm時，線圈間的最大傳輸效率為72.6%，當(dāng)傳輸距離增加至26cm，傳輸效率降至45.6%。另外，當(dāng)傳輸距離小于或大于18cm，系統(tǒng)傳輸效率都會漸漸減少，此為磁共振充電系統(tǒng)的特性。

進行電力傳輸實測的無線充電平臺如圖11所示，功率放大器使用射頻放大器，最大輸出功率為1kw，輸出阻抗為50Ω，用5個60W的燈泡作為負載，以明示無線電力傳輸效果。

3 結(jié)論

本文通過共振的方式提高了無線充電系統(tǒng)的效率，提高了傳輸距離，通過多次實驗和理論分析得出，即使相同的電路接法，在不同頻率的電路中，傳輸效率和傳輸距離差異也比較大，只有當(dāng)頻率接近且發(fā)生共振時無線輸電效率才比較高。

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