吳 亮，石巖嶺

(1.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009；2.山西大同大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，山西大同037009)

1 系統(tǒng)方案

磁耦合諧振[1-5]無線電能傳輸裝置是一種實(shí)現(xiàn)電能隔空傳輸?shù)难b置，其優(yōu)點(diǎn)為遠(yuǎn)程傳遞、不定向、耐用系數(shù)高等。正因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)獨(dú)特，使其更加受到重視。如圖1所示，該種傳輸?shù)闹饕O(shè)備有：電感A，經(jīng)過功率振蕩電路，將能量最終傳遞到源線圈S，并且S與A耦合，D與電感B耦合作用，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，在這個結(jié)構(gòu)中，KS與KD都是近程的，磁耦合諧振K是遠(yuǎn)程的。根據(jù)我們的設(shè)想，需要制作一個半徑為10 cm的空心發(fā)射線圈，以及半徑為9 cm空心接收線圈，利用信號發(fā)生電路將輸入的直流15 V電壓轉(zhuǎn)化為PWM脈沖信號，之后將直流電流變成交變電流，故而接收端產(chǎn)生隨時間變化的電流，之后再流經(jīng)整流電路將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，進(jìn)而滿足要求實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

無線傳能系統(tǒng)的傳輸方式[6-10]：第一種是根據(jù)電磁感應(yīng)完成能量傳輸，該方式可以以較大的功率輸出，從而減少材料的使用，更加環(huán)保。它的缺點(diǎn)是傳輸距離小，并且兩個線圈的位置是固定的，不能偏移；第二種是通過激光或微波完成能量轉(zhuǎn)換和傳輸。該方式具有傳輸距離很遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但是效率低下，對天線的方向要求很高，而且遇到障礙物傳輸就會中斷；第三種是利用磁耦合諧振。該方式的特點(diǎn)是方向性要求不高，而且不受障礙物的影響，小功率的無線傳能系統(tǒng)對人體幾乎沒有危害，更安全；缺點(diǎn)是成本高，對硬件的要求高，受外界的干擾容易產(chǎn)生失諧，不易調(diào)試。負(fù)載變化時，傳輸功率可能也會變化，并且不能通用。本次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置主要采用電磁耦合諧振方式[11-13]實(shí)現(xiàn)。

（1）信號發(fā)生方案選擇

方案一：使用信號發(fā)生器，該方式輸出的信號極其穩(wěn)定，幾乎可以忽略干擾問題；方案二：使用單片機(jī)控制類似AD9850的芯片輸出信號，該方式輸出的信號精確，但成本高；方案三：使用PWM信號，這時就需要使用單片機(jī)，該方式電路方便簡易，頻率勉強(qiáng)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。綜上所述，選擇方案三。

（2）驅(qū)動電路方案選擇

驅(qū)動電路是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，常見的驅(qū)動電路分為3種。方案一：驅(qū)動芯片IR2110加單管驅(qū)動電路，這種電路雖然實(shí)惠、方便、易行，但由于在功率小時會有比較大的沖擊電壓，容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象；方案二：驅(qū)動芯片IR2110s加半橋驅(qū)動電路。但其電路的功率較?。环桨溉候?qū)動芯片IR2110加全橋電路，該種電路的功率大，不容易產(chǎn)生沖擊電壓。綜上，選擇方案三。

（3）整流電路的選擇

方案一：半波整流。其效率低，提供的負(fù)載電流較小。這也是其相對于全波整流的缺陷。方案二：橋式整流。該電路的整流效果同全波整流相同，但其結(jié)構(gòu)更簡單，且效果也不錯。綜上，選擇方案二。

（4）發(fā)射線圈的選擇

根據(jù)現(xiàn)有材料及其實(shí)際情況考慮，線圈選用多層同心銅芯線圈。

（5）總體方案的設(shè)計(jì)

總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中，PWM信號發(fā)生電路包括對STC89C52和74HC14兩個部分。STC89C52部分輸出矩形波，74HC14可以防止驅(qū)動電路中的MOS管同時導(dǎo)通。驅(qū)動電路是整個設(shè)計(jì)的核心。負(fù)責(zé)驅(qū)動線圈，使LC電路產(chǎn)生諧振進(jìn)行能量的傳輸。由于以上部分的需要5 V供電，與題目要求不符，所以需要添加降壓電路為PWM發(fā)生部分和驅(qū)動電路部分供電。線圈兩端的輸入電壓類似正弦波，從而接收線圈感應(yīng)到的是一個不斷變化的電壓。最終我們需要的是不隨時間變化的電流，顯然，我們得到的不符合要求，需要使不斷變化的電流通過濾波，從而輸出不變的電流，輸入到下級中。

圖2 電磁耦合諧振系統(tǒng)框圖

2 理論分析與計(jì)算

根據(jù)LC串聯(lián)諧振的實(shí)質(zhì)，需要恰當(dāng)設(shè)定各個裝置的參數(shù)，從而進(jìn)一步使得整個系統(tǒng)的頻率均一致，在此前提下，在兩個線圈設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞。要想獲得最大的轉(zhuǎn)化效率，須滿足任何一處裝置的諧振頻率均一致。

信號發(fā)生電路，該設(shè)計(jì)主要通過使用STC89C52實(shí)現(xiàn)，將降壓之后的直流電流，通過PWM發(fā)生電路產(chǎn)生后續(xù)電路中所需要的正弦交變電壓。本實(shí)驗(yàn)采用p35為輸出引腳。

驅(qū)動電路主要由兩個IR2110交替控制H橋橋式驅(qū)動電路上管升壓，下管原壓，從而獲得隨著時間不斷變化的正弦電壓，進(jìn)一步將交變電場轉(zhuǎn)化成交變電磁場。

接入15 V的電源到降壓電路，流經(jīng)降壓電路之后，變?yōu)? V，最終通過驅(qū)動電路到達(dá)初級線圈，從而在發(fā)射部分的裝置產(chǎn)生電場，進(jìn)而在兩個線圈之間感化出磁場，將能量傳遞到下一級電路。

因次級線圈產(chǎn)生的是隨時間變化的電流，而我們實(shí)際需要的是不隨時間變化的電流，為了滿足實(shí)驗(yàn)裝置所需要的條件，這就要求在次級線圈后加一級整流電路。再者，因?yàn)榻邮斩酥C振之后形成隨時間不斷變化的高頻的電流，一般而言，高頻電流容易形成熱量[14]，為了保護(hù)器件的完好無損以及充分利用電能，故而我們接入3個小電容，以此來減少損耗。

在參數(shù)選擇方面，首先設(shè)定發(fā)射線圈半徑為10 cm，接收線圈的半徑為9 cm。接著要決定線圈的繞法，即從多層平繞、縮繞和單層同心圓繞三種方式中選取其中最合適的一種。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，縮繞的傳輸效率最高，因此選用縮繞，測出電感值約為100 H，經(jīng)過測量計(jì)算，我們決定使用1100 p的電容，經(jīng)過前面各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，也可以知道諧振頻率幾乎為34 KHz。

3 無線電能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（1）降壓電路

使用MODE:LHMOPWS2。該模塊可以由15 V直流電壓輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓。

（2）PWM發(fā)生電路

STC89C52單片機(jī)有8通道，10位高速ADC，還有兩路PWM輸出并且可作為2路D∕A使用，2個定時器和2個外部中斷和高速同步串行通信接口；74HC14，它能夠承受的最大電壓為5 V，所以我們輸入到PWM發(fā)生電路的最大電壓必須為5 V，只要超過這個數(shù)值，該器件就容易損壞，故而我們在該電路之前加了15～5 V的降壓電路。它能把不明顯的信號變?yōu)榍宄梢?，無抖動的很穩(wěn)定的信號，并可以保證電路的安全。

（3）驅(qū)動電路

如前面分析，由兩個IR2110組成的對稱電路構(gòu)成驅(qū)動電路，而IRF540N是一款耐壓值為100 V,可承受最大電流33 A。

（4）LC諧振電路

LC諧振電路由線圈并聯(lián)組成，線圈的常用材料是普通導(dǎo)線或漆包線，此次實(shí)驗(yàn)中所用的線圈材料是多層同心銅芯線圈，發(fā)射線圈的半徑為10 cm，接收線圈的半徑為9 cm。系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，線圈痛死在進(jìn)行能量的傳輸，并且整個系統(tǒng)出了熱能的損耗外其余的能量都在電容中。由上述內(nèi)容LC諧振點(diǎn)路中線圈的電感量和諧振電容[14-15]非常重要。

由于我們使用的線圈工作效果受電感，粗細(xì)(橫截面大小)等因素的影響。由于以上參數(shù)的原因，系統(tǒng)在工作的時候，線圈的電感量和損耗電阻增大，會導(dǎo)致線圈的不穩(wěn)定影響效率。

（5）整流濾波電路

因次級線圈產(chǎn)生的是隨時間變化的電流，而我們實(shí)際需要的是不隨時間變化的直流電流，為了滿足實(shí)驗(yàn)裝置所需要的條件，這就要求在次級線圈后加一級整流電路[16-25]，如圖3所示。

4 測試與分析

整個實(shí)驗(yàn)裝置中只有兩種儲能器件，分別是線圈和電容。當(dāng)線圈不變，電容增大時，電容所存儲的能量增大，傳輸距離越遠(yuǎn)。此時，諧振頻率可能不準(zhǔn)確，傳輸頻率可能會降低。在諧振頻率近似相等的時候，要想使K的值增大，使遠(yuǎn)程情況下LED燈也可以發(fā)亮，需要使磁場作用的區(qū)域變廣，故而最需要滿足使線圈的半徑變大的條件。此時，傳輸效率不會有太大的變化。當(dāng)線圈線徑不同時，根據(jù)公式R=ρL∕S我們可以得出，L上升，電阻降低，根據(jù)歐姆定律，電流值上升，勢必會使磁場作用的區(qū)域變廣，故可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，傳輸距離增加。在本次試驗(yàn)中使用2 mm的線圈的有效距離是25 cm，最遠(yuǎn)可達(dá)50 cm，此時幾乎不亮。當(dāng)諧振電容不改變，電感量越大，其距離越遠(yuǎn)，能量的損耗加快。電感量越小，其距離越遠(yuǎn)，與電感量大時的能量損耗相比，其能量損耗較慢距離也就更遠(yuǎn)。由于在調(diào)試過程中頻繁改動單片機(jī)的頻率不僅會損壞單片機(jī)而且比較麻煩，所以采用波形發(fā)生器來更方便快捷的尋找最合適的頻率。經(jīng)調(diào)試后，最佳頻率穩(wěn)定在34 KHz。

電壓為13 V左右時（不要超過15 V）加到降壓電路，保持K=10 cm,記錄負(fù)載兩端的電壓電流的數(shù)值，并把記錄的數(shù)值帶入公示運(yùn)算得出η；將兩個一瓦的LED燈代替電阻加入電路，其他條件不變，使LED燈長亮的情況下，改變K的值，量出并記錄K的值，得出K的最大值。15 V的直流電源，米尺（計(jì)量發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離），數(shù)字萬用表（觀察并記錄輸出U和輸出I的數(shù)值），結(jié)果如表1所示。由此可知，最佳頻率穩(wěn)定在34 KHz，距離k為36 cm為最佳狀態(tài)。

表1 測試結(jié)果及對比

5 總結(jié)

本文主要實(shí)現(xiàn)一種無線電能傳輸裝置的制作，并結(jié)合實(shí)踐了解電磁耦合諧振傳輸?shù)脑恚M(jìn)而了解影響電能傳輸距離的原因。本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置還存在缺點(diǎn)。如電能傳輸?shù)男什桓?，原因可能是諧振電容不匹配。無線電能傳輸技術(shù)在目前的發(fā)展不是很好，面臨的主要問題是效率小、距離短、還有對人體的傷害等等一些問題，而且這項(xiàng)技術(shù)剛剛應(yīng)用于社會生活中的一些領(lǐng)域，目前的研究都要求間隔相對要近，需要在特定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行充電，這樣效率才不會很低，這就要求我們不斷探索發(fā)現(xiàn)，擺脫距離對效率的影響，實(shí)現(xiàn)長距離也可以高效率的供電。希望在不久的將來，所有的設(shè)備都將實(shí)現(xiàn)無線供電，從而擺脫對電線的依賴，消除因?yàn)殡娋€老化而帶來的一些隱患。

圖3 接收端電路

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