廈門新頁科技有限公司 林桂江

0 引言

近年來，無線充電技術(shù)得到了快速發(fā)展，主流的無線供電方案主要有電磁感應(yīng)、電磁諧振、微波和電場耦合等技術(shù)方式。電磁感應(yīng)是最早的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)高達100kW的大電力傳輸，但是充電距離有限，產(chǎn)品一般為1cm以內(nèi)，并且線圈的對準要求高，不能發(fā)生偏移；電磁諧振是利用發(fā)射和接收線圈在相同頻率下發(fā)生共振時電磁耦合特性，實現(xiàn)能量高效遠距離的傳輸，充電距離可達數(shù)米；微波無線電能傳輸主要是將能量以微波或者激光的形式遠程傳輸，特點是距離遠，達數(shù)千米，但是效率和功率都非常低；電場耦合是利用發(fā)送與接收端設(shè)置的電極的電場來完成能量的無線傳輸，優(yōu)點是位置自由，缺點是實現(xiàn)高壓電場的成本高、體積大，傳輸距離相對較短[1]。

在以上技術(shù)基礎(chǔ)上目前各大機構(gòu)和廠商都積極推進標準的布局和制定，目前在小功率領(lǐng)域，市場主要有三大無線充電標準，分別為Qi, PMA和A4WP，主要應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品、手機和平板電腦等，大功率領(lǐng)域的無線充電主要應(yīng)用于電動汽車

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總圖

如圖1所示是系統(tǒng)示意圖，輸入端為適配器輸出，然后經(jīng)過全橋高頻逆變，諧振部分由電感線圈和電容串聯(lián)組成，能量的無線傳輸是由高頻的交變電磁場完成。接收端經(jīng)過高頻整流、濾波和降壓電壓變換后對可對蓄電池充電。

圖2 主電路等效電路

圖2 所示為主電路等效電路，電感線圈采用耦合線圈模型，無線充電技術(shù)的諧振補償?shù)幕驹硎窃诎l(fā)射端和接收端串聯(lián)電容（發(fā)射端和接受端可以分別采用串聯(lián)或并聯(lián)，本系統(tǒng)采用上，相關(guān)標準仍不完善，仍然在積極推薦和改善中，目前主要有美國汽車工程師協(xié)會的J2954以及中國中興、比亞迪等起草的SZDB/Z 150—2015《電動汽車無線充電系統(tǒng)》[2][3]。

本系統(tǒng)主要針對中功率無線供電進行了設(shè)計，主要的應(yīng)用場合有機器人、小功率電器等，主要特性是24W電能傳輸，81%效率，2cm傳輸距離，兼容平衡了功率、效率、體積、成本、可靠性等多方面因素。

串串的組合方式）。

從該電路中得出：

圖3 發(fā)射端主電路電路圖

圖4 接收端主電路電路圖

經(jīng)推導(dǎo)系統(tǒng)效率：

則效率最大時，需要︱ZM+ZS+RL︱最小，此時

因此，若要效率達到最大，則接收端需要工作在諧振點，同理得，若需要發(fā)射端的功率發(fā)射最大，則發(fā)射端需要同樣工作在諧振點。這就是低頻下電磁諧振的基本原理。

1.2 發(fā)射端

如圖3所示是系統(tǒng)發(fā)送端主電路，驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2181，其內(nèi)部集成了自舉電路完成對半橋的驅(qū)動，其驅(qū)動電流可達1.8A，上升/下降時間只有40/20ns，開關(guān)管采用IR公司的IRF7815，其導(dǎo)通電阻為43mΩ，門極電容只有25nC，配合圖中的RC吸收電路和母線寄生電感的吸收電容保證了在高頻下滿負載或短期過負載運行的電路可靠性。諧振電容在電路中對容值的變化比較敏感，所以采用CoG電容，以滿足在溫度變化時的電路性能。諧振電感采用50uH的平面電感，電感需要采用低磁阻材料作為其磁屏蔽層，減少磁力線的外圍輻射。

1.3 接收端

如圖4所示是系統(tǒng)接收端主電路，為防止母線電壓過高，在電路中設(shè)置了兩個高壓抑制管，在經(jīng)過高頻整流和濾波后，采用TI的LMR46002電源芯片，其電路形式為BUCK降壓電路，工作頻率可達2M，可使得電路體積非常小，平衡電磁干擾問題，電路中使其工作在500KHz。同時，當負載會出現(xiàn)突變情況時，F(xiàn)B反饋腳可能調(diào)換成PWM波形式反饋電壓信號，減緩其突變斜率。

2 電路仿真波形

圖5 系統(tǒng)等效電路仿真電路

如圖5所示是電路等效圖在的仿真電路，實際電路的逆變輸出由圖中的電源代替，R2、R3為線路和線圈等效電阻，松耦合線圈由一組互感線圈等效，實際松耦合線圈的耦合系數(shù)依據(jù)距離遠近在0.2-0.5間變化，圖中設(shè)置為0.22。負載由R1模擬，大小為5Ω，此時模擬重載情況。

圖6 是電路在不同頻率下負載上的電壓波形，在此圖中，有兩點需要注意：一是在諧振點（104kHz）附近，出現(xiàn)了頻率分離現(xiàn)象，本該是電壓最高點，但是在重載是易出現(xiàn)波谷，在控制時應(yīng)注意此現(xiàn)象[4]；二是在諧振點附近斜率陡，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，一般在中小功率諧振技術(shù)中，會在功率和控制難易上取平衡，所設(shè)計的系統(tǒng)工作在125kHz—200kHz之間。

圖7 f=130kHz時，電感電容電壓大小

圖7 所示為發(fā)射端和接收端的電感電容電壓，其中L1C1為發(fā)射端電感電容，L2C2為接收端電感電容。由圖可以看出，在該頻率下，電感和電容都發(fā)生了諧振，且原邊線圈和電容的最大電壓為輸入電壓的5-6倍，該電壓應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)。

3 實驗波形

圖8 實驗平臺

圖9 發(fā)射端的電感電容波形

圖8 所示為實驗平臺，圖中演示的是滿載運行，直流電源顯示輸入為35.5V，0.9A，電子負載儀顯示輸出為24.13V，1.02A輸出，充電距離即線圈間的距離為2cm，此時系統(tǒng)的效率為77%。圖9為發(fā)送端線圈和電容上的電壓波形，可以看出兩者發(fā)生了諧振，此時線圈的電壓高達66V。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，除了開關(guān)管等發(fā)熱外，線圈的發(fā)熱也是需要注意的地方，因此在繞制線圈時需要采用l iz線來減少高頻下肌膚效應(yīng)，減小電阻。

4 總結(jié)

經(jīng)測量，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的運行，同時線圈的錯位允許20%，效率下降不會超過10%；限制系統(tǒng)距離提升的關(guān)鍵在于負載解調(diào)的通信方式在距離變大后，靈敏度和通信范圍（由線圈電壓/電流反映）之間的平衡不好掌握，在kW級別的通信中，會采取藍牙等通信方式。[5][6]

[1]祝毓.國內(nèi)外無線充電技術(shù)專利分析[J].電力與能源,2015,36(1).

[2]王振亞,王雪梅,張波,丘東元.電動汽車無線充電技術(shù)的研究進展[J].電源學(xué)報,2014(3).

[3]Jaegue Shin,Seungyong Shin,Yangsu Kim,Seungyoung Ahn,Seokhwan Lee,Guho Jung,Seong-Jeub Jeon,“ Design and implementation of shaped Magnetic-Resonance-Based Wireless power transfer system for Roadway-Powered Moving electric vehicles”[J].IEEE transaction on industrial electronics,2014,161(3).

[4]任曉峰.電動汽車無線充電系統(tǒng)的研制及性能優(yōu)化[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014(6).

[5]陳文浩.RFID低頻讀寫器的研究與實現(xiàn)[D].大連海事大學(xué),2008(3).

[6]C.Zhao,Z.Wang,J.Du,J.Wu,S.Zong,X.He,“Active Resonance Wireless Power Transfer System Using Phase Shift Control Strategy”[C].Proc.of IEEE Applied Power Electronics Conference and xposition(APEC),2014.