程曉鋼,喬 鵬 ,王一霖,蘇成利,侯立剛

（遼寧石油化工大學(xué) 信 息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫 順 1 13001）

隨著各類電器在生活中的普及，如何使電能安全穩(wěn)定的傳輸引起了越來(lái)越多人的關(guān)注，傳統(tǒng)的電器設(shè)備都是通過(guò)插頭或插座等電連接器的接觸進(jìn)行供電[1]。但是，這種傳輸方式由于接口處經(jīng)常摩擦以及傳輸介質(zhì)不可避免的老化，很容易產(chǎn)生火花與短路等問(wèn)題，影響供電安全與可靠性，縮短電器設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，差的電氣接觸連接會(huì)增加接觸電阻，造成高溫引起火災(zāi)，電氣開(kāi)關(guān)還會(huì)引起拉弧的危險(xiǎn)[2]。因此，對(duì)無(wú)線供電技術(shù)的研究具有很重要是實(shí)際意義。

無(wú)線供電技術(shù)主要分為射頻供電技術(shù)、微波傳輸技術(shù)和電磁諧振技術(shù)。其中，射頻電能傳輸技術(shù)（RFPT）[3]主要通過(guò)放大器發(fā)射射頻信號(hào)，然后通過(guò)高頻整流得到直流供電，但是其缺點(diǎn)是傳輸功率小只有幾毫伏到100毫伏之間。微波電能傳輸（MPT）[4]將電能轉(zhuǎn)化為微波傳輸?shù)侥康奈恢迷偻ㄟ^(guò)整流轉(zhuǎn)化為直流電能供電，雖然傳輸功率高但通過(guò)實(shí)踐證明會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，因此應(yīng)用范圍受到限制。電磁諧振電能傳輸技術(shù)（ERPT）[5]利用首發(fā)端的共振產(chǎn)生強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)電能傳輸，即不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生大的傷害又能實(shí)現(xiàn)高功率傳輸。

本文通過(guò)分析選擇電磁諧振電能傳輸技術(shù)，根據(jù)電磁諧振原理設(shè)計(jì)了一種小型無(wú)線供電系統(tǒng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中的無(wú)線供電系統(tǒng)建立效率模型，通過(guò)理論計(jì)算得到該方法的理論效率值，并與系統(tǒng)中的實(shí)際效率進(jìn)行比較。通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)與理論的比較得到該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，具有很強(qiáng)的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)線供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

為了保證較高的電能傳輸效率以及較低的輻射傷害，本系統(tǒng)電磁諧振型電能夠傳輸技術(shù)，電磁共振原理如圖1所示。電磁諧振主要利用接收端與發(fā)射端的電磁頻率一致時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)耦合工作環(huán)境進(jìn)行電能傳輸。

電磁共振的原理圖以及能量傳輸示意圖如1所示。

圖1 電磁共振原理圖Fig.1 Diagram of electromagnetic resonance

電磁耦合諧振能量傳輸?shù)脑砣鐖D2所示，在電磁共振的基礎(chǔ)之上，需要在強(qiáng)耦合的環(huán)境中進(jìn)行中等功率的電能傳輸，圖2很好的說(shuō)明了電磁諧振耦合是如何傳輸能量的[6]。

圖2 電磁耦合諧振能量傳輸示意圖Fig.2 Diagram of electromagnetic coupling resonance energy transfer

無(wú)線傳輸系統(tǒng)中的螺旋線圈的磁通量為

因此，可以得到線圈所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)為：

即互感系數(shù)為：

這樣，就可得到該系統(tǒng)的輸入輸出功率，即輸入功率Pin輸出功率Pout如下

進(jìn)一步分析就會(huì)得到供電系統(tǒng)的傳輸效率就等于輸出與輸入之比，因此供電系統(tǒng)的傳輸效率為

在強(qiáng)耦合環(huán)境中使用自諧振線圈，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非輻射功率傳輸，其傳輸距離能達(dá)到8倍的線圈半徑。在2 m多的距離內(nèi)，能傳輸10 W左右的功率，效率在40%左右。我們建立了個(gè)有效的模型來(lái)描述這種電能傳輸，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)。最后討論了基于ERPT的無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸距離與供電效率之間的關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 電源切換

本部分的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)不斷電切換，對(duì)充電不產(chǎn)生影響。如圖3所示，交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)打開(kāi)實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先。當(dāng)交流繼電器斷電時(shí)，常閉觸點(diǎn)閉合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)切換。

圖3 電源切換電路Fig.3 Switching power supply circuit

1.2.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路由頻率發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成如圖4所示，本系統(tǒng)由555定時(shí)器構(gòu)成 4 2 kHZ的振蕩頻率信號(hào)發(fā)生器，為功放電路提供激勵(lì)信號(hào)，用LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成諧振頻率放大器。振蕩線圈電感值約為142 μH的電感和100 pF的C8電容并聯(lián)構(gòu)成，根據(jù)可知，可產(chǎn)生42 kHZ的振蕩頻率。并且用300 pF的固定電容并聯(lián)一個(gè)200 pF的可調(diào)電容，可方便調(diào)節(jié)諧振頻率。

圖4 發(fā)射端電路Fig.4 Transmitter circuit

當(dāng)發(fā)射端電路中的功率放大器選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí)，即滿足f選頻=f激勵(lì)時(shí)功率放大器將會(huì)發(fā)生諧振，此時(shí)線圈中的電壓和電流達(dá)到最大值，在回路中產(chǎn)生最大的交變電磁場(chǎng)。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈耦合時(shí)，在接收線圈回路中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)到最大值。如圖5所示，接收端通過(guò)線圈間的諧振進(jìn)行電能的接收。實(shí)驗(yàn)及理論證明，發(fā)射端與接收端線圈處于諧振狀態(tài)時(shí)，耦合程度最高，能量傳輸效果最好。

圖5 接收端諧振線圈Fig.5 Resonant coil of receiving end

1.2.3 接收及充電電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，電能經(jīng)過(guò)線圈L2接收后，并由快速二極1N4148整流電路進(jìn)行全波整流，330 μF的電容濾掉高頻波，再用5.1 V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓。

圖6 接收及充電回路電路Fig.6 Receivingand charging circuit

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用無(wú)線供電的實(shí)物圖如圖7所示，通過(guò)實(shí)物圖我們可以看出，供電端電能可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)用電端進(jìn)行供電。發(fā)射端線圈通電同時(shí)對(duì)四個(gè)用電端線圈進(jìn)行供電，調(diào)整4個(gè)用電端線圈的距離可以看到不同距離下的供電效果。最終得到的實(shí)物結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性以及實(shí)用性。

圖7 實(shí)物驗(yàn)證Fig.7 Physical verification

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)固定發(fā)射端電源電壓為9.0 V，不斷改變發(fā)射端與接收端的距離，觀察接收端在正反行程下電壓的變化如圖8所示。

圖8 接收端正反行程電壓與距離關(guān)系Fig.8 Relationship receiving correct voltage and anti-stroke distance

由圖8可知接收端電壓在兩者間距離在0.2～1.2 cm范圍內(nèi)呈線性趨勢(shì)衰減，在1.2～1.4 cm范圍內(nèi)極速衰減到零，并且波動(dòng)很大。由此可知該無(wú)線供電系統(tǒng)有一定的線性工作范圍，隨著兩者距離的增加達(dá)到一定額度后會(huì)快速波動(dòng)衰減到零。

接下來(lái)討論該系統(tǒng)的功率問(wèn)題，電能無(wú)線傳輸效率可以通過(guò)耦合等效模型來(lái)計(jì)算。線圈L的輸入功率為Pin及負(fù)載R上的輸出功率Pout可分別表示為由式（5）（6）表示得到兩線圈之間的傳輸效率為

通過(guò)上式計(jì)算當(dāng)為Pin=10 W時(shí)，Pout約為4 W，傳輸效率的理論值約40%。

無(wú)線供電系統(tǒng)的實(shí)際傳輸效率測(cè)量如表1所示。

表1 電能傳輸效率數(shù)據(jù)Tab.1 Energy efficiency of data transmission

由表1可知，通過(guò)實(shí)際電路的測(cè)量數(shù)據(jù)得到的傳輸效率與理論值基本相當(dāng)，表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種小型的無(wú)線供電系統(tǒng)，采用電磁諧振電能傳輸技術(shù)（ERPT），實(shí)現(xiàn)了電能的高效無(wú)線傳輸。通過(guò)改變接收端與發(fā)送端的距離找出了該系統(tǒng)的適用距離，最后通過(guò)將傳輸效率的理論值與實(shí)際值進(jìn)行比較驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)際供電效率，說(shuō)明該系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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