周俊巍 吳軍基 張旭東 王萬(wàn)純

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 210094）

1 引言

無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer）的研究歷史悠久，早在電網(wǎng)廣泛使用之前，就有大量關(guān)于無(wú)線電能傳輸?shù)难芯?。?983年的哥倫比亞世博會(huì)上，美國(guó)科學(xué)家尼古拉·特斯拉利用無(wú)線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接的情況下點(diǎn)亮了燈泡[1]?；谌蛱炀€（在信息通信中工作良好）的輻射模式不適合能量傳輸，大部分能量耗散在空間中。直接輻射模式中使用激光或者高度定向天線可以進(jìn)行高效長(zhǎng)距離（傳輸距離遠(yuǎn)大于設(shè)備尺寸）能量傳輸，但是必須提供直線視野，如果是移動(dòng)設(shè)備還要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。

隨著電子產(chǎn)品（筆記本電腦、手機(jī)、家用機(jī)器人等所有依賴化學(xué)儲(chǔ)能的設(shè)備）的快速發(fā)展，重新激起對(duì)電能無(wú)線傳輸?shù)男枨?。但是我們面臨著和特斯拉迥然不同的挑戰(zhàn)：隨著電網(wǎng)的廣泛普及，即使在中距離范圍內(nèi)（傳輸距離接近設(shè)備尺寸）電能也可以大量使用。因此提出基于非輻射模式（磁感應(yīng)）的方法，但會(huì)受限于短距離（傳輸距離遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸）或者低功率（mW 級(jí)別）[2-5]。

無(wú)磁芯感應(yīng)耦合方法在射頻識(shí)別的供電中獲得使用，為了提高接收端電壓，一般在接收端并入電容構(gòu)成在運(yùn)行頻率點(diǎn)的諧振電路。2007年7 月，麻省理工的M.Soljacic 教授等人提出了在初級(jí)和次級(jí)側(cè)同時(shí)諧振耦合的方法[5]，首次提出低輻射損耗的電能無(wú)線傳輸，并實(shí)現(xiàn)了在2m 距離內(nèi)以40%的效率傳輸60W 的電能，成功點(diǎn)亮白熾燈。國(guó)內(nèi)對(duì)基于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸也進(jìn)行了一定的研究[7-8]。

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸作為一種新型電能傳輸方式，其傳輸效率更高，更容易實(shí)現(xiàn)，因此在植入醫(yī)療器械，電動(dòng)汽車，智能家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]提出了適合與植入式醫(yī)療器械的無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種用于生物移植的新型高效磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置，傳輸效率高，耦合度強(qiáng)，同時(shí)生物相容性好，適合批量生產(chǎn)。目前關(guān)于電動(dòng)汽車的無(wú)線供電技術(shù)也得到了廣泛的研究，并取得了顯著的成果[11,12]。智能家居近年逐漸被人們所關(guān)注，無(wú)線電能傳輸技術(shù)可在其中發(fā)揮重要作用，手機(jī)、筆記本電腦無(wú)線充電終端等產(chǎn)品相繼問世[13]。

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)相比于傳統(tǒng)無(wú)線電能傳輸方式有其突出的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文將研究基于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸方法，驗(yàn)證該方法的可行性，并實(shí)現(xiàn)短距離12V/3W的LED 燈的供電。

2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸理論分析

2.1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸模型

一般要求無(wú)線電能傳輸?shù)墓舱耨詈夏Ｐ途哂懈逹=ω/2Γ（對(duì)于低本征耗散率Γ），因此在磁共振耦合方式中，不是用易耗散的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)，而是用短暫不易耗散的平穩(wěn)近場(chǎng)。在傳輸距離大于設(shè)備尺寸時(shí)，如果要求耦合系數(shù)κ 較大，最好選擇尺寸較大的發(fā)射源。

2.2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[14]對(duì)比了3 種電路結(jié)構(gòu)。三種電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 三種電能無(wú)線傳輸結(jié)構(gòu)

圖1(a)為簡(jiǎn)單的非諧振感應(yīng)耦合方法。圖1(b)為低Q 值諧振耦合方法，源阻抗和負(fù)載阻抗近似與LC 諧振電路并聯(lián)，R2和R3較小，所以系統(tǒng)的Q 值主要決定于RS、RL。圖1(c)為高Q 值諧振耦合方法。源阻抗和負(fù)載阻抗通過(guò)感應(yīng)耦合至LC 諧振電路，阻抗將會(huì)按變比的平方反比例下降。合理的調(diào)節(jié)變比，可以獲得很高的系統(tǒng)Q 值。

選擇第3 種電路結(jié)構(gòu)，可以獲得高Q 值的磁共振耦合電路結(jié)構(gòu)。圖2為示意圖。

圖2 磁耦合諧振式電路結(jié)構(gòu)

L1為發(fā)射線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)和發(fā)射諧振線圈L2互相作用，L1的電源頻率和L2的諧振頻率相同可以觸發(fā)L2諧振。L3為接收諧振線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)和L4互相作用。L3的諧振頻率和L2的諧振頻率一致。這樣，只要發(fā)射線圈的電源頻率和L2、L3的諧振頻率一致，L1中的能量就可以高效耦合給負(fù)載RL。

2.2.2 功放電路的設(shè)計(jì)

功放電路的設(shè)計(jì)輸出頻率在1-20MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，最大輸出功率20W。

為了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)1-20MHz 的振蕩電路，實(shí)現(xiàn)全范圍可調(diào)，這樣便于尋找系統(tǒng)的諧振頻率和進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)在1-20MHz 范圍內(nèi)調(diào)頻，采用壓控振蕩器（VCO）設(shè)計(jì)高頻振蕩器。電路原理圖如3 所示。

圖3 振蕩電路及功率放大電路

功率放大電路的輸出經(jīng)3dB 衰減器接入。信號(hào)通過(guò)兩只IRF510 組成的推挽功率放大電路進(jìn)行功率放大，最后高頻功率信號(hào)經(jīng)高頻變壓器輸出。由于負(fù)載為線圈，其阻抗和功放的特性阻抗不匹配，為保護(hù)功放電路，功放輸出需經(jīng)3dB 衰減器接發(fā)射線圈。

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

電路參數(shù)見表。

表 電路參數(shù)表

功放經(jīng)過(guò)3dB 衰減器接發(fā)射級(jí)線圈L1，接收線圈L4接電阻R=50Ω。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 感應(yīng)耦合方式傳遞能量

L2和L3兩個(gè)諧振線圈斷開，通過(guò)改變發(fā)射頻率和傳輸距離，測(cè)量負(fù)載電壓。負(fù)載電壓為峰-峰值電壓表示。感應(yīng)耦合方式的能量傳遞測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，固定頻率下，隨著傳輸距離增加，感應(yīng)耦合方式獲得的能量逐漸降低；同時(shí)，隨著頻率的增加，感應(yīng)耦合方式獲得的能量急劇減小。

3.2 諧振耦合方式傳遞能量

L2和L3兩個(gè)諧振線圈接入調(diào)節(jié)電容，通過(guò)改變發(fā)射頻率和傳輸距離，測(cè)量負(fù)載電壓。負(fù)載電壓為峰-峰值電壓表示。諧振耦合方式的能量傳遞測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 諧振耦合方式下負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

3.3 感應(yīng)耦合與諧振耦合方式比較

通過(guò)比較在各種不同頻率下兩種能量傳遞方式的負(fù)載電壓，可以知道兩者傳輸性能的優(yōu)劣。

電源頻率f=1MHz 時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

電源頻率f=1.572MHz 時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖6 f=1MHz 時(shí)負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

圖7 f=1.572MHz 時(shí)負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

電源頻率f=2.23MHz 時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 f=2.23MHz 時(shí)負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

電源頻率f=3.425MHz 時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 f=3.425MHz 時(shí)負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

4 個(gè)頻率下均發(fā)現(xiàn)，諧振耦合獲得的能量是感應(yīng)方式獲得的2～4 倍，因此諧振耦合方式比感應(yīng)方式更適合短距離電能無(wú)線傳輸。

3.4 諧振耦合的特性

諧振耦合方式的優(yōu)點(diǎn)在于線圈諧振時(shí)，接收線圈將獲得較高的能量。根據(jù)理論計(jì)算，系統(tǒng)諧振頻率為

系統(tǒng)按諧振耦合方式工作時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 諧振耦合方式下負(fù)載電壓與距離的關(guān)系

實(shí)際測(cè)試電源頻率為1.178MHz 時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生諧振，諧振點(diǎn)與理論計(jì)算有偏差。這是因?yàn)榫€圈在高頻下的分布電感和電容使其諧振頻率發(fā)生了偏移，但是測(cè)試結(jié)果仍然表明，諧振耦合線圈具有很高的Q 值，且在諧振點(diǎn)處接收的能量最高。

為了更直觀地體現(xiàn)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)哪芰?，?fù)載線圈接入12V/3W 的LED 燈，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11 所示。

圖11 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了100cm 距離處12V/3W 的LED燈的供電，驗(yàn)證了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸方式的可行性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明其傳輸功率明顯優(yōu)于感應(yīng)方式，且其電能傳輸距離更長(zhǎng)。

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