朱俊杰，陳 程，李 智，李旻競

(中南林業(yè)科技大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

隨著用電設(shè)備的增加，電線和插座也隨之大量制造和使用，造成大量物質(zhì)和能源的消耗，導(dǎo)致環(huán)境污染。傳統(tǒng)電能傳輸采用有線傳輸方式,但在很多場合并不適用，如深海作業(yè)機(jī)器人、心臟起搏器、磁懸浮列車等[1-3]。電能無線傳輸一直是人類的夢想,國內(nèi)外科學(xué)家在此領(lǐng)域進(jìn)行了不斷的研究與探索。

目前，無線電能傳輸主要有三種方式[4-5]：(1)微波電能傳輸方式。該方式利用無線電波收發(fā)原理，通過對載波進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)實現(xiàn)傳輸電能，傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，應(yīng)用范圍不大；(2)電磁感應(yīng)無線電能傳輸方式。該方式利用變壓器原副邊耦合原理，通過交變電場和磁場傳輸電能，傳輸功率大、效率高，但距離很近,僅在1 cm內(nèi)，目前已在軌道交通等方面應(yīng)用；(3)諧振耦合電能無線傳輸方式,它是前兩種的綜合方式。該方式利用電路中電感電容諧振原理傳輸電能，理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。

本文提出了一種基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上完成了對該裝置的研制。實驗表明，通過微處理器完成對環(huán)形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的檢測，控制只對耦合度最高的線圈供電，使得用電設(shè)備無論處于何種方向，總有一個發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合，保證了電能傳輸?shù)母咝省?/p>

1 諧振耦合模型

為了便于分析諧振耦合過程的發(fā)生，本文僅取一組發(fā)生諧振耦合的收發(fā)線圈LS與LD進(jìn)行等效電路分析。由于功率發(fā)送設(shè)備采用的均為高頻信號發(fā)射[6]，所以收發(fā)線圈的寄生電阻和電容是不可忽視的，其等效模型如圖1所示。其中D表示收發(fā)線圈之間的距離，M表示收發(fā)線圈之間的互感系數(shù)。

圖1 諧振耦合模型

諧振耦合模型表示為：

只有當(dāng)ZS=RS,且有ZD=RD+RW時，LS與LD線圈會同時發(fā)生自諧振，此時的電能傳輸效率η是最高的[6-7]，表達(dá)式為：

本文提出的基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術(shù)，在設(shè)計中加入了由多個發(fā)送線圈組成的電磁耦合陣列，再經(jīng)控制系統(tǒng)搜索耦合程度最大的線圈,從而鎖定由該線圈獨立供電，使無線電能傳輸過程中的效率始終保持最高。

2 電磁耦合陣列定位

基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。通過微處理器控制電磁耦合陣列中每個線圈單獨供電并檢測供電電流，由微處理器搜索到耦合程度最大的線圈從而鎖定由該線圈獨立供電。接收線圈通過電磁感應(yīng)接收能量,并通過橋式整流器給用電設(shè)備供電。電磁耦合陣列由多個發(fā)送線圈組成，其空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

微處理器完成數(shù)據(jù)采集與控制指令的發(fā)出，電磁耦合陣列與接收線圈之間形成電磁耦合，接收線圈通過橋式整流器將接收到的交流信號進(jìn)行整流。A/D轉(zhuǎn)換器將整流后的直流電壓送入微處理器進(jìn)行分析與處理，最后由微處理器送出控制指令。電磁耦合陣列電氣連接圖如圖4所示。

圖3 電磁耦合陣列空間排列圖

在整個系統(tǒng)中，能量的損耗主要包括線圈、開關(guān)損耗及電磁耦合過程中的磁泄漏。可以通過軟件控制合適的載波頻率和合適的死區(qū)時間來減小開關(guān)損耗，耦合損耗是系統(tǒng)能耗的主要部分，因為磁場傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，造成感應(yīng)效率較低[8]。本系統(tǒng)在電磁耦合陣列中輸入10 kHz～40 kHz的高頻信號傳輸磁場和發(fā)送能量。多個發(fā)送線圈采用水平的環(huán)形排列，使得任何用電設(shè)備在任何位置，朝任何方向，總有一個發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合。耦合陣列的每個線圈回路通過串聯(lián)一個1:50的變壓器對回路電流進(jìn)行采樣，經(jīng)整流及電容平緩后用CPLD檢測采樣耦合電壓來反映此線圈的發(fā)送功率，并輸出控制信號調(diào)整線圈關(guān)斷，從而使耦合效率達(dá)到最高。圖3所示的電磁耦合陣列可以為多個，不同的電磁耦合陣列按不同的高度設(shè)置，可增加用電設(shè)備獲取電能的靈活性，即用電設(shè)備在不同的高度和不同的方向，都能最大限度地獲取電能，提高了電能的利用效率。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 電能傳輸主回路

主電路如圖5所示，驅(qū)動電路將方波信號送入由發(fā)送線圈、MOS管Q4、電容C2及變壓器T1構(gòu)成初級線圈，初級線圈把能量耦合發(fā)送給次級線圈，通過匝數(shù)比為 1：500的變壓器T1進(jìn)行電壓放大，后經(jīng)二極管D3，D4、D5及D6構(gòu)成橋式整流電路整流和C3平滑，所獲得的直流電壓送至供電設(shè)備。驅(qū)動電路采用9V直流電源供電，當(dāng)方波信號為高電平時，三極管Q1導(dǎo)通，Q1的VCE較小，以致三極管 Q2、Q3均截止。因此MOS管Q4的柵極處于高阻狀態(tài)(MOS管Q4處于截止?fàn)顟B(tài))，即電子開關(guān)不導(dǎo)通，發(fā)送線圈不能往外發(fā)送電能。方波為低電平時，三極管Q1截止，Q1的C極處為高電平，此時，三極管Q2、Q3均導(dǎo)通。因此MOS管Q4的柵極處于高電平，則MOS管Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)，即電子開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)送線圈往外發(fā)送電能。

圖5 主電路圖

3.2 電磁耦合陣列定位控制回路

控制電路選用如圖6所示的單片機(jī)與CPLD的控制方式。單片機(jī)完成控制與顯示功能，CPLD完成數(shù)據(jù)采集與分析。選用精度為8 bit、實時采樣頻率為5MS/s的AD7822芯片,對呈環(huán)形矩陣排列的原邊各線圈電流值進(jìn)行采集。CPLD選用MAXII系列的EPM240芯片完成對A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的存儲器分析,并將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)采用AT89S52完成對環(huán)形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的分析,只對耦合度最高的線圈供電，使得用電設(shè)備無論處于何方向，總有一個發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合，并顯示傳輸效率。

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)通過頻率為32.89 kHz方波信號發(fā)送能量，在接收端加一個100 Ω假負(fù)載完成了無線電能傳輸裝置實驗結(jié)果的測量，其結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果驗證了基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸方案的可行性，當(dāng)接收端距離發(fā)射端4.5 cm時仍然能夠從發(fā)射端接收到20 mW的功率，電能傳輸效率很高。

表1 實驗結(jié)果

在設(shè)計過程中，CPLD能夠有效地鎖定發(fā)射陣列線圈，傳輸效率最大的線圈組合，可以發(fā)出最合適的載波頻率，進(jìn)行功率傳輸。當(dāng)發(fā)射線圈的電感量發(fā)生微小變化時，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對傳輸效率影響并不明顯。在此基礎(chǔ)上，實驗結(jié)果證明，采用電磁感應(yīng)陣列的方案，用電器無論在何方位都能以最大效率獲得發(fā)送端送來的電能，從而解決了耦合電能無線傳輸中，由于電磁場方向的不確定性導(dǎo)致耦合因子低下的問題。

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