胡濟宇，季濤，鄒儒佳

(1.華東師范大學第二附屬中學，上海201203;2.上海工程技術(shù)大學基礎(chǔ)教學學院，上海201620; 3.東華大學材料科學與工程學院，上海201620)

雙模式可調(diào)的無線電能傳輸*

胡濟宇1，季濤2，3，鄒儒佳3*

(1.華東師范大學第二附屬中學，上海201203;2.上海工程技術(shù)大學基礎(chǔ)教學學院，上海201620; 3.東華大學材料科學與工程學院，上海201620)

從實際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計出了一種可調(diào)頻率、可調(diào)占空比的磁共振式無線充電裝置，該裝置具有電能轉(zhuǎn)化效率最高模式和充電輸出功率最大模式雙重功能。在觸發(fā)信號與LC振蕩回路共振時，占空比對充電模式起了決定性作用。在額定輸入電壓下，占空比在0.20～0.35范圍內(nèi)，裝置的電能轉(zhuǎn)化效率最大;占空比是0.6時，裝置的輸出功率最大。

無線充電;雙?？烧{(diào);占空比;磁共振

無線電能傳輸技術(shù)，由于充電器和用電器之間不用電線連接，從而避免了頻繁插拔接頭以及潛在觸電的危險。它具有可靠性高、安全性好、操作方便、適應(yīng)性強等特點，且易于實現(xiàn)自動充電。因而，無線電能傳輸技術(shù)受到科技領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［1-4］。電場具有和磁場理論上相同的對偶性，近年來國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展了電場耦合型無線電能傳輸?shù)难芯俊Ｈ毡局晔綍绱逄锖椭貞c大學都開展了電場耦合的理論研究［5-9］，但尚未成熟。電感耦合型無線傳輸技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，主要有磁感應(yīng)和磁共振兩種類型［10］。近幾年，無線電能傳輸無論是在技術(shù)創(chuàng)新還是在應(yīng)用推廣上都有較大發(fā)展［11-12］。但有關(guān)占空比對充電模式的影響未見報道。

本研究設(shè)計出可調(diào)頻、可調(diào)占空比方波形的磁共振式無線充電裝置。旨在探索觸發(fā)信號頻率和占空比對無線充電效率的影響，重點研究方波信號作為激勵共振源時，不同占空比對電壓和電流的變化產(chǎn)生的影響。該工作可為無線充電研究提供理論指導和技術(shù)支持。

1 無線電能傳輸電路設(shè)計

磁共振式也稱為近場諧振式，利用發(fā)射端和接收端的LC電路形成共振，就可以交換彼此的能量。發(fā)射端的電感L和電容C構(gòu)成了一個諧振發(fā)射電路，向周圍空間發(fā)出非輻射交變磁場;接收端采用相同的電感L和電容C構(gòu)成接收器諧振電路。當兩個諧振頻率相同時，接收電路與發(fā)射電路產(chǎn)生強磁耦合，即可形成無線電能傳輸。

信號放大電路的設(shè)計和構(gòu)建是利用三極管的電流放大功能，將信號發(fā)生器提供的觸發(fā)信號波形放大至所需功率或電壓，如圖1所示。VCC為放大電路的供電電源(能量的來源)，大小為12 V。信號發(fā)生器(VC2002)的觸發(fā)信號從圖1中“小信號輸入”輸入端輸入，可提供可調(diào)頻、可調(diào)占空比的方波，控制功率開關(guān)器件(IRF540N)的開啟和關(guān)閉，進而給LC電路充能。發(fā)射端的LC回路由耦合電感Lp和補償電容Cp組成，其頻率可通過f0=1/2π得到。

圖1 信號放大電路

調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的頻率，使得LC振蕩電路的頻率與觸發(fā)信號形成諧振。發(fā)射端的線圈Lp發(fā)射出的交變磁場，則會引起接收端LC電路共振，在接收端電容Cp的兩端產(chǎn)生“高頻交流輸出”(余弦波)，從而達到共振并彼此交換能量。LC振蕩電路中一個周期可分為:電容充電、電感充能、電容反向充電以及電感反向充能4個階段，其電流和電壓呈周期性變化。

接收端利用AC-DC變換模塊，將接收到的交變電能轉(zhuǎn)換為直流電能。借助示波器和萬用表，檢測接收端處AC的波形圖以及輸出DC功率隨著觸發(fā)頻率的變化情況。當觸發(fā)信號的波形和占空比發(fā)生改變時，觀察LC振蕩電路中信號最強位置，確定兩種模式下的最優(yōu)占空比。

圖2 發(fā)射端和接收端的LC振蕩電路

2 結(jié)果與分析

實驗中采用VC2002函數(shù)發(fā)生器，提供方波觸發(fā)信號;利用萬用表輔助檢測發(fā)射端和接收端的電流和電壓值得到功率值;示波器Victor1025A跟蹤檢測觸發(fā)信號的頻率和波形。在LC回路中，電容Cp為0.01μF，發(fā)射線圈和接收線圈均為自繞線圈，匝數(shù)為44圈，直徑為10 cm。根據(jù)示波器的跟蹤發(fā)現(xiàn)，LC電路固有頻率(fLC)約為78 kHz。

2.1 頻率對充電效率和功率的影響

電路共振時，電路中可達成最大的能量傳輸。為了探索該裝置的電能傳輸中的頻率對充電效率和功率的影響，這里測試了在占空比一定時，裝置的轉(zhuǎn)化效率和輸出端的直流功率輸出隨著觸發(fā)頻率的變化。如圖3所示，測試波段是在10 kHz～120 kHz之間，負載電阻為200Ω。可以看出，轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(紅色)隨觸發(fā)頻率的變化趨勢大致相同。當激發(fā)頻率在78 kHz、39 kHz和26 kHz附近時，電路的轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都出現(xiàn)了極大值。其中LC振蕩電路頻率和激發(fā)頻率(78 kHz)一致時，轉(zhuǎn)化效率最高。

圖3 轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(紅色)隨觸發(fā)頻率的變化

當觸發(fā)信號的周期是LC振蕩電路周期的整數(shù)倍時(頻率的倒數(shù))，電能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)化效率和輸出功率均達到極大值。原因是在觸發(fā)信號的一個周期內(nèi)，就形成了LC振蕩的整數(shù)倍諧振。激發(fā)信號對LC電路的一次充能，為LC電路接下來的整數(shù)倍周期振蕩提供能量(如39 kHz和26 kHz)，這時也會達到較高的能量轉(zhuǎn)化效率，但對應(yīng)的輸出功率會小于激發(fā)頻率為78 kHz時的輸出功率。由此可知，在LC振蕩電路頻率和激發(fā)頻率(78 kHz)一致時，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都最高。

2.2 占空比對充電效率和功率的影響

占空比是方波信號中方波開通時間占整個周期時間的比率。在激發(fā)信號與LC電路形成共振時，方波開通時間就是為LC電路充能時間。LC振蕩電路有電容充電、電感充能、電容反向充電以及電感反向充能4個階段。激發(fā)信號充能時間的跨越范圍直接影響了LC振蕩電路周期的完整性。

為了探索占空比的影響，在觸發(fā)信號頻率為78 kHz(共振)、負載為200Ω時，研究了不同的占空比下裝置的轉(zhuǎn)化效率和接收端的輸出功率，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)，占空比對電能傳輸?shù)挠绊懕容^明顯。當占空比為0.20～0.35時，轉(zhuǎn)換效率最高，但此時接收端的輸出功率不大;當占空比為0.35～0.60時，轉(zhuǎn)化效率隨之降低，而接收端的輸出功率變大;當占空比大于0.6時，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都降低。

圖4 78 kHz下轉(zhuǎn)化效率(黑色)和輸出功率(方塊)隨占空比的變化

占空比過小，LC電路蓄能不充分，這樣就達不到所需的功率;占空比過大，放大器件的開啟時間過長，電能消耗過多，多余的能量由熱能放出。圖5和圖6分別是當占空比為25%和60%時，觸發(fā)信號(黑色)和接受信號(方塊)隨時間的變化。在圖5中可以發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)信號在一個周期的電容充電階段(第1階段)，給發(fā)射電路的LC電路充電，同時給電容和電感充電，激發(fā)能量終止后，電感持續(xù)給電容充電，達到振蕩信號的極大值，后面的剩余3個過程則由LC電路自振完成，這時能量得到極大的利用。但在激發(fā)信號過多時，在圖6中發(fā)現(xiàn)，當觸發(fā)信號過大時(60%)，充能開啟時間跨越了電容充電和電感充能兩個階段，雖然輸出端的輸出功率比較大，但放大器件的開啟時間過長，純電阻電能消耗過多，效率相對較低。由此可以發(fā)現(xiàn)，在共振下，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率不能隨占空比同時達到極值，當占空比為0.20～0.35時，轉(zhuǎn)化效率最高，而在占空比為0.6時，輸出功率最大。

圖5 78 kHz下，占空比為25%時，觸發(fā)信號(黑色)和接受信號(紅色)隨時間的變化

圖6 78 kHz下，占空比為60%時，觸發(fā)信號(黑色)和接受信號(紅色)隨時間的變化

2.3 諧振時輸入功率和輸出功率的關(guān)系

兩個具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定距離時，由于線圈諧振和磁場強耦合會形成能量分布不均勻。在強耦合作用下空間磁場分布將被改變，能量根據(jù)耦合程度重新分配。這里研究了在激發(fā)信號與LC電路形成共振時，輸入功率和輸出功率在外加負載作用下的變化情況，進而推出能量分布。

圖7所示為當兩組線圈距離很小時，輸入功率和輸出功率隨外加負載電阻的變化(包含線圈內(nèi)阻)。在外加電阻為200Ω附近時，輸出功率最大，而輸入功率最小，因此相應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率比較大。沒加負載或者負載電阻很小時，輸入功率反而比較大;當輸出功率最大時，輸入功率卻出人意料地降低了。發(fā)射功率(輸入功率)隨著負載的增加先減小后增大，但接收端效率會隨著負載的增加而先增大后減小。其原因可能是諧振把能量分布進行了重新分配，減少了對外輻射。據(jù)此可進一步探討和研究輻射小轉(zhuǎn)化效率高的無線電能傳輸。

圖7 輸入功率(黑色)和輸出功率(紅色)隨負載電阻的變化

3 結(jié)論

本論文設(shè)計出了可調(diào)頻、可調(diào)占空比的磁共振式無線充電裝置，該裝置具有多功能性，可根據(jù)實際需求，設(shè)置電能轉(zhuǎn)化效率最高模式和充電輸出功率最大模式。其中諧振頻率和占空比是影響無線能量傳輸系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，觸發(fā)信號的周期是LC振蕩電路周期的整數(shù)倍時，電能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)化效率和輸出功率出現(xiàn)極值。在共振下，轉(zhuǎn)化效率和輸出功率不隨占空比同時達到極值，當占空比為0.20～0.35時，轉(zhuǎn)化效率最高，而當占空比為0.6時，輸出功率最大。由此可見，通過調(diào)節(jié)占空比就可實現(xiàn)兩種功能模式的轉(zhuǎn)化。另外，在強耦合作用下，磁場能量會根據(jù)兩組線圈耦合程度重新分配，減少了其他方向上發(fā)射的能量損耗。該工作可為無線電能傳輸研究提供理論指導和技術(shù)支持。

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鄒儒佳(1982-)，男，漢族，安徽蕪湖人，東華大學材料科學與工程學院副研究員，碩士導師，研究方向為光電器件和薄膜柔性器件等，rjzou@dhu.edu.cn。

Dual-M ode Adjustable W ireless Power Transm ission*

HU Jiyu1，JITao2，3，ZOU Rujia3*

(1.No.2 High School Attached to East China Normal University，Shanghai 201203，China; 2.School of Fundamental Studies，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China; 3.College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

For the practical application，we designed the magnetic resonance wireless charging equipment with an adjustable frequency and an adjustable duty ratio.The equipment has demonstrated two functions，i.e.，the highest energy conversion efficiencymode and the chargingmaximum output powermode.Under the resonance of the trigger signal and LC tank，the duty cycle of trigger signal played a decisive role in the chargingmode.Under rated input voltage，the energy conversion efficiency of the device is the largestwith the duty ratio in the range of0.20 to 0.35; under the duty ratio of 0.6，the output power of the device is greatest.

wireless power transmission;dual-mode adjustable;duty cycle;magnetic resonance

C:5140

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.042

TM 15;TM 910.6

:A

:1005－9490(2017)01－0224－04

項目來源:高等學校博士學科點專項科研基金項目(新教師類20130075120001);教育部科學技術(shù)研究重點項目(313015)

2016-01-17修改日期:2016-03-02