張柯煒，薛宇飛，強 浩，王昭淇，牛 輝

（1.常州大學海外教育學院，江蘇 常州 213164；2.香港浸會大學理學院，香港 999077；3.常州大學機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213164）

18世紀初期，電能與磁能之間的特殊關(guān)系第一次被人類所發(fā)現(xiàn)，奠定了電磁理論的基礎(chǔ)，從此人們邁向了電氣化嶄新的時代[1-2]。1894年，科學家尼古拉·特斯拉在一個實驗室用無線電能傳輸?shù)姆绞较蛄硗庖粋€實驗室傳輸能量并成功點亮了另一個實驗室里的白熾燈，這一次的電能傳輸實驗用了電磁感應、共振感應耦合等新興技術(shù)[3-4]。隨后的幾十年內(nèi)，特斯拉在島上建造Wardenclyffe塔，這位科學家希望將地球上的物體實現(xiàn)電離層共振，從而實現(xiàn)大范圍的無線電能傳輸，使得能量的傳遞變得方便簡潔[5]。等到了1971年，任教于新西蘭奧克蘭大學的唐·奧托教授成功開發(fā)出一個使用磁感應供電的小型手推車。在1988年，該大學里的約翰教授帶領(lǐng)著他的一個電力研究小組，開發(fā)出新型逆變器，制造出了世界上首個非接觸式電能傳輸?shù)哪Ｐ汀?0世紀中后期至今，無線電能傳輸成為各個科學領(lǐng)域的重要研究課題，這個熱點技術(shù)受到許多人的重點關(guān)注。

1 系統(tǒng)傳輸特性分析

無線能量傳輸系統(tǒng)主要通過交變的磁場實現(xiàn)能量的傳輸，電磁耦合機構(gòu)由發(fā)射線圈和接收線圈組成。圖1為其結(jié)構(gòu)與等效電路圖。

圖1中，Uin為輸入的正弦交流電壓，LT和LR分別是兩線圈的自感，RT和RR分別為兩線圈的等效電阻，CT和CR分別是兩線圈在高頻下的分布式電容，IT和IR為兩線圈中的電流，RL和M為負載和兩線圈間的互感。URT表示發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場在接收線圈中產(chǎn)生的感應電動勢，其值為jωMIT；UTR表示接收線圈產(chǎn)生的交變磁場在發(fā)射線圈中產(chǎn)生的感應電動勢，其值為jωMIR。

圖1 無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其等效電路

利用KVL定律可以得到：

電磁耦合機構(gòu)發(fā)射回路的輸入功率Pin、負載電阻RL上的輸出功率Pout及系統(tǒng)的效率η分別為：

當發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生自諧振，即電磁耦合機構(gòu)通過諧振耦合進行能量傳輸時，其輸出功率和傳輸效率最大。

2 發(fā)射線圈設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的發(fā)射線圈采用漆包線繞制的方案，適用于手機等小功率電子產(chǎn)品。3個發(fā)射線圈由3個正六邊形的小線圈排列而成，每一個線圈的每一層都采用并聯(lián)的方式將線圈與諧振電容相連。線圈內(nèi)部采用繼電器控制各個線圈的開關(guān)，每一層線圈上都有一個繼電器，根據(jù)線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊的指令開啟和關(guān)閉相應的線圈。3個小線圈之間也采用繼電器相連接，在小線圈單獨工作時，3個線圈間的繼電器處于斷開狀態(tài)。線圈均采用六邊形繞法，發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 六邊型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)圖

圖2中，六邊形的邊長為5 cm，通過LC諧振公式可以計算出這些線圈所需適配的外部諧振電容的值，仿真結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 線圈參數(shù)表

2.2 特性仿真

針對不同的接收情況，發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)也是不同的，本文采用60 kHz高頻電源分別對傳輸距離為1 cm下單線圈、雙線圈及三線圈的情況進行了模型仿真及發(fā)射、接收線圈供電特性的仿真。

2．2．1 1個發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于一個發(fā)射線圈區(qū)域內(nèi)，其仿真結(jié)果如圖3所示，其中線圈的功率單位為W，線圈電流單位為A，線圈電壓單位為V。

圖3 單線圈供電模型及特性

2．2．2 2個發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于2個發(fā)射線圈區(qū)域，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙線圈供電模型及特性

2．2．3 3個發(fā)射線圈供電特性

若接收設(shè)備置于3個發(fā)射線圈區(qū)域，其仿真結(jié)果如圖5所示。圖3—圖5中，顯然系統(tǒng)工作在60 kHz時，輸出功率最大。

圖5 三線圈供電模型及特性

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

本文設(shè)計一種基于單片機控制的自適應多接收無線桌面充電系統(tǒng)，主要由中央控制器模塊、區(qū)域檢測模塊、線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊等構(gòu)成，當有接收設(shè)備放置在無線充電面板上時，多接收無線桌面充電系統(tǒng)可以自動判斷識別接收線圈在無線充電平面上的位置，系統(tǒng)通過自適應建立相對應的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)進行供電，從而提高無線充電器的使用效率，避免能量的浪費。系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 無線桌面充電系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 調(diào)試分析

多接收無線桌面充電系統(tǒng)的實現(xiàn)基于主控模塊、檢測模塊、顯示器模塊、線圈調(diào)節(jié)發(fā)射模塊和發(fā)射線圈的協(xié)同工作。當接收設(shè)備放置在充電平面上充電時，對應的下方線圈啟動，顯示器上顯示出對應發(fā)射線圈的狀態(tài)，“ON”為接通發(fā)射狀態(tài)，“OFF”為斷開狀態(tài)，同時接收設(shè)備充電指示燈亮，硬件實物圖的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同情況下測試結(jié)果

使用萬用表測得發(fā)射模塊輸入電壓為5 V，電流125 mA，其中一個接收線圈輸出電壓4 V，當串入1 kΩ電阻時，電流為4 mA，經(jīng)計算可得整個系統(tǒng)的傳輸效率約為2%。

4 結(jié)論

本文主要研究了一種基于諧振式的多接收無線桌面充電系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)接收線圈所在的位置，自適應形成供電方式，仿真研究了單線圈、雙線圈及三線圈的供電特性，最后進行了系統(tǒng)設(shè)計，使用60 kHz的無線充電標準模塊，驗證了方案的可行性。