王 莉

(山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

隨著科技的進(jìn)步，平板電腦、手機(jī)等大量的電子產(chǎn)品給我們帶來了便捷的生活。我們的日常生活離不開這些電子產(chǎn)品，但是這些電子產(chǎn)品大多都是通過有線的電源獲取電能。然而，電源線頻繁的拔插很容易損壞，并且需要隨身攜帶電源線以備不時之需。繁瑣的電源線不僅影響設(shè)備的靈活性，還一定程度上影響了整體環(huán)境的美觀。而無線電能傳輸系統(tǒng)能很好的解決這些問題。無線電能傳輸系統(tǒng)是一種無接觸式電能傳輸系統(tǒng)，它借助于空間磁場將電能從電源端傳遞到用電設(shè)備端。在安全性、靈活性和可靠性等方面具有傳統(tǒng)電能傳輸方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 耦合諧振式電能無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)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)射端和接收端都是由電感和電容組成的并聯(lián)諧振電路。當(dāng)發(fā)射端與接收端處于同一頻率發(fā)生共振時，使用高頻功放來激發(fā)振蕩電流，再通過發(fā)射線圈對外部激發(fā)電磁波。這樣就能實現(xiàn)電場能量向磁場能量的轉(zhuǎn)變。

1.1 多諧振蕩電路的設(shè)計

多諧振蕩電路主要產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，提供給高頻功放。可以將輸入的直流穩(wěn)壓電轉(zhuǎn)換成高頻的交流電。多諧振蕩電路采用NE555構(gòu)成的多諧振蕩器來生成1MHz的波形。它是一個占空比可調(diào)的多諧振蕩電路，此種振蕩電路參數(shù)的設(shè)定是非常簡單的，它的頻率調(diào)節(jié)只需要調(diào)節(jié)外圍電路的參數(shù)即可。

圖1 耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)

1.2 高頻功放電路的設(shè)計

高頻功放電路是形成高頻的交流電提供給發(fā)射線圈。該系統(tǒng)采用MOS管驅(qū)動，常用的MOS管為IRF540N，它的驅(qū)動能力強(qiáng)，價格便宜。 IRF540作為MOS管是N溝道的，在此電路中作為開關(guān)管使用。

1.3 諧振電路的設(shè)計

在實際工作電路中發(fā)射端和接收端基本上都是采用并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)，這是因為實際電路中如采用串聯(lián)諧振電容的方式，電容上通過的電流很大，實際電路不易實現(xiàn)。而采用并聯(lián)諧振電容的方式則相當(dāng)于對總電流進(jìn)行分支使電容上承受的電流較小。另一方面采用并聯(lián)諧振電容能夠激發(fā)出更高能量的磁場，有利于電能的無線傳輸。所以本諧振電路采用并聯(lián)諧振電路[2]。

1.4 線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計

耦合線圈的形式多樣，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)計要求，耦合線圈的結(jié)構(gòu)可分為垂直傳輸型線圈和水平傳輸型線圈兩種。

圖2 垂直傳輸型線圈 圖3 水平傳輸型線圈

垂直傳輸型線圈。對發(fā)射與接收端的位置要求嚴(yán)格，一旦偏離線圈中心較遠(yuǎn)就會導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸特性受較大的影響[3]。而水平傳輸型線圈產(chǎn)生的磁場比較均勻并且具有較好的方向性，非常適宜于磁場傳送電能的系統(tǒng)，同時具有傳輸距離遠(yuǎn)和效率高等優(yōu)點(diǎn)。所以本系統(tǒng)采用水平傳輸型線圈。

1.5 整流電路的設(shè)計

濾波電路通常有半波整流、全波整流和橋式整流，由于這三種整流電路中，橋式整流電路轉(zhuǎn)換效率高，所以本系統(tǒng)選擇橋式整流電路[4]。

2 耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真

為了驗證此耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的正確性，我們使用了Multism軟件進(jìn)行仿真。通過仿真分析，我們所設(shè)計的一款耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)成功地點(diǎn)亮了燈泡。我們以上提出的耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。

3 耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的測試

3.1 整體電路圖的測試

信號發(fā)生電路接5V的電源U，其中發(fā)射與接收線圈之間的距離是可調(diào)的，當(dāng)距離在一定的范圍之內(nèi)，燈泡一直是亮的。實物圖和測試圖如圖4和圖5。

圖4 實物圖 圖5 實物測試圖

3.2 線圈輸出電壓與η的關(guān)系

通過對系統(tǒng)測試，可以得出輸入輸出電壓電流與傳輸效率之間的關(guān)系如表1。

表1 輸入輸出電壓電流與效率測試圖

4 結(jié)論

針對耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜問題，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)的無線電能傳輸系統(tǒng)，通過仿真和實物的測試，驗證了方案是可行的，達(dá)到了無線電能傳輸?shù)囊蟆?/p>