殷孝雎，張異殊，姚文強(qiáng)，宗慶祥

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

諧振耦合式太陽能無線充電裝置的研制

殷孝雎，張異殊，姚文強(qiáng)，宗慶祥

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

介紹了諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)的工作原理和基本構(gòu)成，以及諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)的各部分的選型和設(shè)計(jì)，其中包括高頻逆變電路、諧振耦合環(huán)節(jié)、整流濾波電路的選型與設(shè)計(jì)和光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能檢測，證明了系統(tǒng)的可行性。

無線電能傳輸；太陽能無線充電；電磁諧振

1 諧振耦合式無線輸電系統(tǒng)

1.1 諧振耦合式無線輸電的原理

諧振耦合式電能無線傳輸技術(shù)是通過2個(gè)具有相同頻率的“諧振體”進(jìn)行電磁耦合產(chǎn)生諧振來實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)?。通常情況下，相距一定距離的2個(gè)帶電物體相互之間的耦合為弱耦合，但是一旦兩帶電物體的自身諧振頻率達(dá)到一致，兩者之間將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的磁場耦合，發(fā)射端源源不斷為系統(tǒng)提供電能，而接收端將不斷消耗電能，這樣就實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。發(fā)射端與接收端線圈采用擁有相同電感量的感應(yīng)線圈，發(fā)射電路由高頻逆變環(huán)節(jié)激發(fā)發(fā)射端線圈產(chǎn)生交變磁場，一旦擁有相同頻率的感應(yīng)線圈進(jìn)入交變磁場的范圍則在其線圈上產(chǎn)生諧振耦合，而其他未達(dá)到諧振頻率的物體則不能感應(yīng)磁場能量，接收線圈將耦合得到的電能不斷供給負(fù)載。這種方法的特點(diǎn)是在發(fā)送和接收電路中加入高品質(zhì)因數(shù)的自諧振線圈構(gòu)成發(fā)射和接收裝置。

諧振耦合式電能無線傳輸技術(shù)的關(guān)鍵是諧振和磁耦合，它們的共同作用才能實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，振蕩電路的諧振頻率對系統(tǒng)效率和傳輸距離起著重要的影響作用，而磁耦合則是通過發(fā)射端與接收端的磁耦合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。

1.2 諧振耦合式無線輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，電能無線傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括空心線圈及諧振補(bǔ)償電路，高頻逆變電路為線圈提供高頻正弦波電流。相隔一定距離的接收端包括另一空心線圈和諧振補(bǔ)償電路，以及整流濾波電路和消耗電能的負(fù)載。

1.3 發(fā)射回路的設(shè)計(jì)

在發(fā)射回路上采用了Royer振蕩電路對直流電進(jìn)行逆變，電路如圖2所示，Royer振蕩器回路只要提供合適的直流電壓便可啟動(dòng)。加上電源后，由于2個(gè)晶體管的特性有所差異，故假設(shè)Q1先導(dǎo)通，此時(shí)電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，然后由1組線圈反饋回來，使Q1一直導(dǎo)通，Q2截止，直到電感磁芯飽和，此時(shí)電動(dòng)勢為0，Q1截止，電動(dòng)勢反向，使Q2導(dǎo)通，逆變振蕩器產(chǎn)生正弦信號(hào)，并用線圈將能量發(fā)送出去。

圖1 諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 諧振耦合環(huán)節(jié)的選擇與設(shè)計(jì)

1.4.1 線圈的諧振電感

線圈電感量的大小，主要由以下因素決定：繞制方式、線圈的匝數(shù)及磁芯材料。線圈的匝數(shù)越多，線圈繞制的越密集線圈的電感量越大；線圈內(nèi)有磁芯的比無磁芯的電感量大，磁芯材料磁導(dǎo)率越大的電感量越大。通常所需用的線圈電感量大小，可由下式計(jì)算：

(1)

式中，μ0為空間磁導(dǎo)率；N為線圈的匝數(shù)；r為線圈的半徑；a為線圈的線徑。

發(fā)射線圈采用Φ1.3 mm的漆包線線和圓筒式繞法，以取得較高的變換效率。發(fā)射線圈L1采用Φ1.3 mm的漆包線，繞圓筒式，3匝，直徑15 cm。接收線圈的參數(shù)及繞制方式與發(fā)射線圈相同。由公式1可得發(fā)射和接受線圈的電感量都為L=3.717×10-7H。

圖2 諧振耦合式無線電能傳輸?shù)陌l(fā)射回路電路原理

1.4.2 諧振電容的確定

本實(shí)驗(yàn)初定系統(tǒng)諧振頻率為350 kHz,并聯(lián)諧振電容的參數(shù)由線圈電感、系統(tǒng)頻率根據(jù)公式2求出。經(jīng)計(jì)算得諧振電容值約為54.4 nF?？紤]到電流特性，長時(shí)間的大電流工作會(huì)導(dǎo)致諧振電容發(fā)熱，在這里選擇將諧振電容拆分為8個(gè)小電容進(jìn)行并聯(lián)，每個(gè)電容的容值為6.8 nF。

(2)

1.4.3 線圈高頻電阻

線圈在高頻率下的電阻分為高頻損耗電阻和高頻輻射電阻。空心線圈在高頻情況下的電阻為：

(3)

(4)

式中，R0為線圈的高頻損耗電阻；Rr為線圈的高頻輻射電阻；μ0為空間磁導(dǎo)率；ρ為導(dǎo)線的電阻系數(shù)；l為線圈的導(dǎo)線長度；a為線圈的截面半徑；N為線圈匝數(shù)；r為線圈的半徑；ω為固有角頻率；ε0為空氣介電常數(shù)；h為線圈寬度；c為光速。

1.4.4 線圈的互感

若發(fā)射線圈中電流的變化使接收線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，兩線圈之間雖然沒有電氣上的直接聯(lián)系，但卻通過彼此的磁場相互耦合作用互相影響，衡量這種影響大小的物理量為互感?；ジ械拇笮。饕c以下幾個(gè)因素有關(guān)：穿過線圈的磁力線數(shù)(電流變化的快慢)、線圈形狀、線圈匝數(shù)、線圈直徑、兩線圈間相對位置、線圈周圍介質(zhì)線圈和導(dǎo)線線徑。平行且同軸的空心線圈之間的互感由下式計(jì)算：

(5)

式中，μ0為空間磁導(dǎo)率；N1、N2分別為初、次級(jí)繞組匝數(shù)；r1、r2分別為初、次級(jí)線圈的半徑；d為初、次級(jí)繞組間的距離。

1.5 接收回路的設(shè)計(jì)

采用橋式整流電路對傳輸?shù)浇邮栈芈返母哳l交流電能進(jìn)行整流。假設(shè)某一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)1為正電位，節(jié)點(diǎn)3為負(fù)電位。1、2間的二極管兩端承受正壓而導(dǎo)通，此時(shí)3、4間的二極管也承受正向電壓而導(dǎo)通，前半周期電流經(jīng)這2個(gè)二極管由節(jié)點(diǎn)2流向負(fù)載。交流電壓過零點(diǎn)后，1、2和3、4間的二極管兩端承受反向電壓而截止，2、3和1、4間的二極管受正向電壓導(dǎo)通，后半周期電流由節(jié)點(diǎn)2流出供向負(fù)載。依次往復(fù)導(dǎo)通這兩組二極管，就實(shí)現(xiàn)了交流電能向直流電能的轉(zhuǎn)換。

圖3 諧振耦合式無線電能傳輸?shù)慕邮栈芈冯娐吩?/p>

1.6 穩(wěn)壓模塊

在整流電路輸出直流電后，由于電壓不穩(wěn)定，需對電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。在此選擇7805穩(wěn)壓模塊。其輸入電壓范圍為：7.5～20 V(交直流)，輸出電壓穩(wěn)定在5 V，最大輸出電流1.2 A ，可以滿足本電路的設(shè)計(jì)和一般的移動(dòng)設(shè)備充電要求。

2 光伏系統(tǒng)

2.1 光伏系統(tǒng)的選擇

為無線輸電系統(tǒng)供應(yīng)電能有多種選擇：1)可以先將50 Hz/220 V的交流電經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)變成直流，直接為無線輸電系統(tǒng)供能；2)可以先用交流電為蓄電池充電，繼而利用蓄電池為無線輸電系統(tǒng)供能；3)利用太陽能光伏技術(shù)，將太陽能直接轉(zhuǎn)變成直流電能儲(chǔ)存在蓄電池中，蓄電池為無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行供能。對于方案1)和2)，由于需要多一步的交流整流環(huán)節(jié)，因此在開關(guān)器件上會(huì)有一部分的電能損耗，而且這2種方案都需要與傳統(tǒng)市電連接，使得整個(gè)系統(tǒng)的安裝位置和方式受到限制。而獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以直接產(chǎn)生直流電能供整個(gè)系統(tǒng)使用，而且可以很好地與無線輸電系統(tǒng)相結(jié)合，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性。

2.2 光伏系統(tǒng)的組成

該設(shè)計(jì)所采用的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)具體包括：1塊20 W的多晶硅太陽能電池板、1個(gè)20 Ah的閥控密封式鉛酸蓄電池以及1個(gè)最大允許電流為5 A的光伏控制器。太陽能電池板在光照下發(fā)出直流電能，經(jīng)控制器控制對蓄電池進(jìn)行充電，然后再由控制器控制蓄電池的放電為無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行12 V左右的持續(xù)供電。

3 性能測試

系統(tǒng)輸入電源電壓為直流電壓12 V，在不同的傳輸距離下對系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端線圈兩端電壓幅值，發(fā)射端、接收端線圈電壓頻率，系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，發(fā)射端、接收端線圈兩端諧振頻率基本相同，諧振頻率隨傳輸距離的增加而增大，輸出電壓隨著傳輸距離的增加而下降。諧振頻率、輸出電壓隨傳輸距離的變化曲線如圖4、圖5所示。

表1 不同傳輸距離系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)

圖4 諧振頻率隨不同傳輸距離變化的曲線

對不同傳輸距離的發(fā)射端、接收端線圈電壓波形進(jìn)行了測量，測量結(jié)果顯示，在不同傳輸距離下線圈發(fā)射端、接收端電壓波形均接近正弦波。圖6、圖7為傳輸距離9 cm時(shí)的發(fā)射端、接收端線圈兩端電壓。

圖5 輸出電壓隨不同傳輸距離變化的曲線

圖6 傳輸距離為9 cm時(shí)的發(fā)射端電壓波形

圖7 傳輸距離為9 cm時(shí)的接收端電壓波形

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)中的諧振耦合式太陽能無線電能傳輸系統(tǒng)利用Royer振蕩電路對直流電能進(jìn)行高頻逆變，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的諧振頻率達(dá)到了330 kHz,實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。但傳輸?shù)碾娔芄β瘦^小，理論上改變電感的參數(shù)、提高輸入電壓和提高諧振頻率會(huì)提高整體的輸出功率和效率。因此，該裝置還有一定的改良空間。盡管如此，這仍是一次無線輸電系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)相結(jié)合的一次新的探索。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對 張 凱)

Design of Resonance Coupling Type Solar Wireless Charging Device

YIN Xiao-ju，ZHANG Yi-shu，YAO Wen-qiang,ZONG Qing-xiang

(School of Renewable Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

The paper introducedthe basic structure of the electromagnetic resonant wireless power transmission system and analyzed its working principle.Detailed selection and design of every part of the electromagnetic resonant wireless power transmission system were also given in this paper,including the selection and design of high-frequency inverter circuit,resonant coupling link and the rectifier and filter circuit.It also providedthe design ofphotovoltaic system.Theperformance testing proved the feasibility of this design.

Wireless power transmission; Solar energy wireless charging; Electromagneticresonance

2016-05-16

殷孝雎(1974-)，男，遼寧沈陽人，高級(jí)工程師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.002

TM615

A

1673-1603(2017)01-0006-05