基于磁耦合谐振的无线电能传输研究

陈文杰，王浩陈，张 懿，魏海峰，刘维亭

(江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)

基于磁耦合谐振的无线电能传输研究

陈文杰，王浩陈，张 懿*，魏海峰，刘维亭

(江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)

基于磁耦合谐振式无线电能传输机理，构建了以TMS320F2812型号的DSP作为主控芯片的无线传输系统装置，并进行软硬件设计.同时对各模型参数进行了理论计算，并根据模型对不同传输频率下传输效率与负载进行了分析，得出了不同耦合状态下系统获得最大负载功率的条件.系统实验采用定变量的方法，保持一定的负载电流变化逆变频率，结果表明:该系统能够维持一定距离和传输效率进行传输.

磁耦合谐振;无线电能传输;传输效率;TMS320F2812

进入21世纪以来，无线电能传输技术的研究取得了突破性进展，文献［1］利用磁耦合谐振原理实现中距离的无线电能传输，在2 m多的距离内将一个60 W的灯泡点亮，传输效率达到40%左右.近几年来，各国研究人员对无线电能传输进行了深入研究，在理论和实践上均取得了很大进展［2］.无线电能传输技术主要可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、电场耦合式等.磁感应耦合式和磁耦合式无线电能传输利用发射线圈产生交变磁场将电能耦合到接收线圈，从而实现对负载的电能传输.其中，磁感应耦合技术发展较为成熟，传输功率较大，在较短的传输距离内传输效率较高，随着传输距离的增加，传输效率迅速降低［3］;磁耦合谐振式是磁感应耦合的一种特例，通过发射线圈的磁耦合谐振实现高效非辐射能量传输，传输距离比磁感式要大［4］.与传统的电能变换器相比，用于无线电能传输的电能变换器在开关应力、功率损耗和电磁干扰等方面存在的问题更为突出，因此设计高效可靠的电能变换器对提高无线电能传输性能至关重要［5-6］;发射接收装置所在的位置以及材料对传输效率会产生影响，文献［7］提出了在发射接受天线之间加入一个中继谐振线圈，结果显示，减少了向系统外的电磁辐射，从而提高了系统传输效率.当传输距离或负载发生变化时，需采取适当的策略使整个系统保持在最高传输功率和最大传输效率的工作状态，为此，文献［8］设计了一个将谐振器、控制器和整流器组合起来的磁耦合谐振系统.基于文献［8-11］，针对目前最为广泛的磁耦合谐振式无线电能传输方式，文中利用串联谐振的方式实现磁耦合谐振的无线电能传输，构建了以DSP2812为核心控制的实验装置，该装置硬件成本相对较低，传输效率高，有极高的性价比.同时系统结构简单，实验维持在一定负载电流下，能够有效的验证各种因素对电能传输效率的影响.

1 磁耦合谐振无线传输原理

利用电路理论法建立等效电路的回路KVL方程组，求解方程组可得到传输功率和传输效率的数学表达式，从而对磁耦合式无线电能传输特性进行理论分析［7］.采用LC串联谐振.图1为具体的电路原理.

图1 谐振式无线供电串联电路模型Fig.1 Series circuit model of resonant wireless power supply system

图中，R1，L1，R2，L2分别为发射和接收耦合线圈等效电阻和电感;C1，C2分别为发射和接收回路补偿电容;R0为负载电阻.两线圈间的互感系数为M，激励交流源频率为ω，由电路可得KVL方程为:

输入回路阻抗和输出回路阻抗分别为:

磁耦合传输效率η通常负载吸收功率Pout与发射回路的输入功率Pin之比为:

以上公式联立，可以得到:

由式(4)得，传输效率η可以近似看成和输入输出阻抗Zin，Zout成反比关系，当Zin，Zout最小时，传输效率将会越高，即jωL+=0，传输效率将会最高.此时谐振周期为Tr=2π，也就是谐振频率为fr=1/Tr.为了试验中更好找到谐振频率，选择相同的发射接收耦合线圈和相同的发射接收回路补偿电容.

2 系统的软硬件实现

2.1 硬件设计

系统的工作流程如图2，直流电源输入，经过全桥逆变成交流源输入到发射线圈;DSP通过采集到的电压电流信号，可以改变斩波的频率和占空比，实现恒流恒压控制等;接收端接收谐振能量后经过整流滤波输送给负载.桥驱动模块用于驱动全桥，并含有光电隔离作用全桥电路模块通过PWM波来控制全桥电路IGBT的通断.此外，全桥电路和采集模块都采用直流15V供电.

图2 无线传输系统工作流程Fig.2 Work flow chart of resonant wireless power transferring system

输出滤波整流电路由续流二极管、电感和电容组成.考虑续流二极管在IGBT截止时导通，消耗能量，又工作于高速状态，所以采用了反向漏电流较低且正向浪涌承受能力较强的快恢复二极管，并且考虑了以后电路作为他用，预留端口以供以后的电容继续并联.

采集模块电路电路采用“电压基准源TL431+ AVAGO公司高线性模拟光电耦合器HCNR201”组合作为参考、隔离、取样.如图3，它可以将输出电压变化控制在±1%以内.反馈电压由输出端取样，输出电压通过分压电阻获得取样电压后，与TL431中的2.5 V基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光电耦合器控制端电流，最后通过改变PWM宽度调节输出电压，使其保持不变.光电耦合器的另一作用是对原、副边进行隔离.该电路利用输出电压与TL431构成的基准电压比较，通过光电耦合器HCNR201二极管三极管的电流变化改变PWM宽度.

图3 采集模块电路原理Fig.3 Circuit principle diagram of sampling model

驱动电路如图4，采用IR2304美国IR公司生产的新一代半桥驱动集成芯片，可直接用于驱动两个中功率半导体器件如MOSFET或IGBT，动态响应快，驱动能力强，工作频率高，且具有多种保护功能.驱动电路主要将DSP输出的脉冲提高电压值，以达到能够驱动全桥IGBT开关的电压.由于包含保护光耦隔离，其也具有一定保护电路的作用.

图4 IR2304驱动电路Fig.4 Driving circuit for IR2304

2.2 软件设计

主控芯片DSP主要根据采集来的电流值，输出一定频率和占空比的脉冲来控制全桥开关器件的通断.发射端恒流控制程序流程如图5，采集电路采集到电流输入到DSP的A/D输入口，经过模数转化得到电流值，将其和设定的期望电流值进行比较，并进行PID运算，不断变化输出PWM波的占空比实现恒流控制.

图5 恒流控制程序Fig.5 Constant electric current control

3 实验及结果分析

图6为无线电能装置系统的实物图，主要包括DSP最小系统板、IR2304驱动IGBT电路、电压采集电路、H全桥电路、发射接收电路、整流滤波电路等.

图6 磁耦合谐振无线电能传输系统实物Fig.6 Real magnetic coupled resonant wireless power transmission system

实验采用3A/30V双路稳压电源保持恒压15V进行输入，使用三位半万用表测量发射端实际输入电流电压值和负载端电压值.调节滑动变阻器使负载电流恒定在0.5A，通过式(5)计算效率值η.U1，I1，U2，I2(I2=0.5A定值)分别为发射端输入电压电流和接收端负载电压电流值(由于稳压电源也存在内阻，需要测定输入的实际电压).

实验发射和接收电路回路采用线圈的电感均为0.2 mH，串联电容均选用0.04 μF，计算得，理论谐振频率为56.27 kHz.由于电容电感的测量值存在偏差，导致计算值和实际值存在差距，所以需要实验调试得到最佳谐振频率，测试过程如表1，得到最佳结果为54.5 kHz，对应最高效率为46.8%.

由表1可见，当开关频率超过或者小于54.5 kHz时，效率都呈现下降，即越远离谐振频率，LC阻抗就越难以相抵消，导致电路的阻抗越大，效率越低.由此可以认定54.5 kHz为实际的谐振频率.

表1 频率改变对无线电能传输效率的影响Table 1 Effect on the efficiency of radio transmission

4 结论

文中基于磁耦合串联谐振的原理，构建了以DSP2812为核心的传输装置，以负载恒流为条件进行多次试验找到了合适谐振频率，得到较为理想的传输效率，为无线电能传输技术改进和实际应用奠定了良好的基础.

References)

［1］Soljacic M，Kurs A，Karalis A，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］.Science Express，2007，323(1):34-48.

［2］ 范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用［J］.中国电机工程学报，2015，35 (10):10-19.Fan Xingming，Mo Xiaoyong，Zhang Xin.The research situation and application of wireless power transmission technology［J］.Proceedings of the CSEE，2015，35 (10):10-19.(in Chinese)

［3］ 孙跃，夏晨阳，戴欣，等.感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化［J］.中国电机工程学报，2010，30(33):44-50.Sun Yue，Xia Chenyang，Dai Xin，et al.Analysis and optimization of mutual Inductance for inductively coupled power transferm system［J］.Proceeding of the CSEE，2010，30(33):44-50.(in Chinese)

［4］Kurs A，Moffatt R，Soljacic M.Simultaneous mid-range power transfer to multiple devices［J］.Applied Physics Letters，2010，96(4):23-30.

［5］Li H L，Hu A P，Covic G A.A direct AC-AC converter for inductive power transfer system［J］.IEEE Transactions on Power Elections，2012，27(2):661-668.

［6］Cheon S，Kim Y H，Kang S Y，et al.Circuit-m Odelbased analysis of a wireless energy-transfer system via coupled magnetic resonances［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(7):280-298.

［7］ 赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展［J］.中国电机工程学报，2013，33 (3):1-13.Zhao Zhengming，Zhang Yiming，Chen Kainan.New progress of magnetically-coupled resonant wireless power transfer technology［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33(3):1-13.(in Chinese)

［8］ 黄学良，谭林林，陈中，等.无线电能传输技术研究与应用综述［J］.电工技术学报，2013，28(10): 1-11. Huang Xueliang，Tan Linlin，Chen Zhong，et al.Review and research progress on wireless power transfer technology［J］.Transaction of China Electrotechnical Society，2013，28(10):1-11.(in Chinese)

［9］ 王智慧，孙跃，苏玉刚，等.适用于非接触电能传输系统的的新型AC/DC/AC变换器［J］.电工技术学报，2010，25(1):84-89.Wang Zhihui，Sun Yue，Su Yugang，et al.A new type AC/DC/AC converter for contactless power transfer system［J］.Transactions of China Electro Technical Society，2010，25(1):84-89.(in Chinese).

［10］Hamam R E，Karalis A，Joannopoulos J D，et al.Efficient weakly-radiative wireless energy transfer:An EIT-like approach［J］.Annals of Physics，2009，324 (8):1783-1795.

［11］Chio J H，Yeo S K，Park S，et al.Resonant regulating rectifiers(3R)operating for 6.78 MHz resonant wireless power transfer(RWPT)［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2013，48(12):2989-3004.

(责任编辑:曹 莉)

Wireless power transmission based on couped magnetic resonance

Chen Wenjie，Wang Haochen，Zhang Yi，Wei Haifeng，Liu Weiting
(School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

The principle of the wireless power transfer was investigated.Transmission installation using DSP TMS320F2812 as the master chip was built，whose composition of hardware and design of software were introduced.The parameters of the model were calculated theoretically，and the transfer efficiency and load power of the system were analyzed based on the model.The key to obtain maximum load power of the transmission system was found under different work conditions.Then，the installation was tested.The experimental results demonstrated that the installation could realize transmission at a certain distance and efficiency.

coupled magnetic resonance;wireless power transferring;transmission efficiency; TMS320F2812

TM724

A

1673-4807(2015)06-0555-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.009

2015-07-11

船舶预研支撑技术基金项目(13J2.5.2);江苏省2015年度普通高校研究生实践创新计划项目(SJLX15-0528)

陈文杰(1991—)，男，硕士研究生.*通信作者:张懿(1982—)，女，讲师，研究方向为电机控制.E-mail:719156360@qq.com.

陈文杰，王浩陈，张懿，等.基于磁耦合谐振的无线电能传输研究［J］.江苏科技大学学报(自然科学版)，2015，29(6):555-559.