熊姍霞 蔡國順

摘要：本系統(tǒng)利用NI LabVIEW RIO Evaluation Kit單板為主控制器，附加LabVIEW FPGA程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用磁耦合共振對(duì)無線充電系統(tǒng)進(jìn)行電能-磁場-電能的轉(zhuǎn)化以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。本文介紹整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)并展示測試效果。

關(guān)鍵詞：無線充電;LabVIEW FPGA;磁耦合共振

隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，生活中出現(xiàn)了許多需要數(shù)據(jù)線充電的電子設(shè)備，各種數(shù)據(jù)線交織在一起，不僅影響美觀且存在安全隱患。無線充電是通過非接觸式充電的方式以實(shí)現(xiàn)電力輸送的一種新型充電技術(shù)，無線充電器與設(shè)備之間通過電磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，無需數(shù)據(jù)線連接，可以做到無接觸對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行充電，解決了數(shù)據(jù)線充電帶來不便以及各種隱患。同時(shí)，利用磁耦合共振的無線充電系統(tǒng)還可以解決因不同移動(dòng)設(shè)備接口的適配器不同等原因在使用上帶來的不便。

一、磁耦合共振式無線充電原理

磁耦合共振式無線充電原理是送電線圈和受電線圈串聯(lián)或者并聯(lián)小電容構(gòu)成一個(gè)共振器，當(dāng)送電線圈與受電線圈產(chǎn)生振動(dòng)的頻率一致時(shí)，即使相距一段距離，由于磁耦合產(chǎn)生共振，也能實(shí)現(xiàn)送電線圈與受電線圈之間的電能和磁能傳輸[1]。

二、磁耦合共振無線充電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

磁耦合共振無線充電系統(tǒng)由電能輸出部分和電能接收部分組成。電能輸出部分包括交流電源、降壓整流電路、主控制器、驅(qū)動(dòng)電路、高頻開關(guān)電路、檢測電路以及發(fā)射線圈;電能接收部分由接收線圈、檢測電路以及充電模塊等部分組成。

（一）電能輸出部分電路設(shè)計(jì)

該部分主要由供電電源、驅(qū)動(dòng)隔離電路以及高頻開關(guān)和發(fā)射線圈電路組成，本文主要介紹其中關(guān)鍵的高頻開關(guān)和發(fā)射線圈電路設(shè)計(jì)。

高頻開關(guān)和發(fā)射線圈電路如圖1所示，高頻開關(guān)的頻率是通過驅(qū)動(dòng)器IR2110控制MOS管IRF3205的導(dǎo)通頻率來實(shí)現(xiàn)的，而驅(qū)動(dòng)信號(hào)是來自主控制器輸出的PWM信號(hào)，通過程序控制PWM的頻率來控制高頻開關(guān)管開斷的，以提高發(fā)射線圈二端的頻率，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈二端產(chǎn)生起振。

（二）電能接收部分電路的設(shè)計(jì)

電能接收電路如圖1所示，受電線圈感應(yīng)到發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場時(shí)，在受電線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。調(diào)節(jié)受電線圈電抗值，使受電端產(chǎn)生起振，當(dāng)受電線圈二端的起振頻率和發(fā)射線圈二端的固有頻率相同時(shí)，受電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到最大值。受電線圈感應(yīng)的交變電流經(jīng)過T3168開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片進(jìn)行整流濾波得到直流電，采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞酱_保負(fù)載能得到穩(wěn)定電流。

三、系統(tǒng)測試效果

（一）軟件測試界面

上位機(jī)軟件采用NI的LabVIEW，測試界面如圖2所示，憑借Labview強(qiáng)大的界面控件集成功能以及函數(shù)庫，可以十分方便的開發(fā)出美觀而有效的軟件界面，如圖直觀的顯示了送電線圈二端與負(fù)載受電端的電壓幅值的變化、驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比和頻率、負(fù)載充電電量及是否充電等功能。

（二）實(shí)物測試效果

實(shí)物測試效果圖如圖3所示，用直流的LED燈泡代替負(fù)載，通過最后的實(shí)物測試效果顯示該系統(tǒng)可以在20CM以內(nèi)可以將多個(gè)12V/5W的LED燈泡點(diǎn)亮，完美實(shí)現(xiàn)無線充電功能。

四、結(jié)語

該系統(tǒng)是利用電磁共振原理，以NI LabVIEW RIO Evaluation Kit單板為主控制器，并附加軟件控制界面的一種新型無線充電裝置。通過以電磁共振技術(shù)，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，經(jīng)過大量測試驗(yàn)證在短距離無接觸狀態(tài)下送電線圈和受電線圈二端電能傳輸?shù)目赡苄?。從?shí)物測試效果來看，送電線圈和受電線圈之間可以通過磁共振的方式實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。同時(shí)，附加軟件控制界面可以提高無線充電系統(tǒng)的可操作性，使充電過程更加靈活、方便。該系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)為無線充電技術(shù)提供廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，對(duì)推動(dòng)無線充電技術(shù)具有重要理論意義和使用價(jià)值，已在全國虛擬儀器設(shè)計(jì)大賽中獲獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌.磁耦合共振型無限輸電系統(tǒng)的研究[D].蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014，10-24.