无线电能传输装置的设计与分析

林柏林

【摘要】 无线电能传输是借助于电磁场或者电磁波进行能量传输的一种技术。电能给人类带来巨大的发展和便利，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，既不美观又不方便，因此人类一直想要摆脱电线的束缚而能够实现电能无线传输的梦想。本文章介绍了无线电能传输的几种方式，并通过比较他们的利与弊，选择最合适的方式，以追求最大的利益。

【关键词】 无线电能 传输 谐振耦合 MRPT

一、系统设计方案及论证

1.1 无线电能发射部分

发射电路作为无线电能传输传输系统中的重要组成部分该部分设计的好坏对总的传输功率也有着十分重要的影响。因此在给系统中设计出一个高效的发射电路也是十分重要的一环。本设计使用门极谐振电路驱动MOS管，其开关速度快，属于软开关，可以实现较低信号，产生较高电压来驱动MOS管，利于能量传输，效率高。

1.2 无线电能传输部分

采用两个自谐振线圈。电感线圈的设计和制作方法中我们了解到在高频状况下，线圈匝间电容和集肤效应将会是导致电阻增加而造成Q值降低，在空心电感的设计上都是应该考虑的。但这些因素恰恰是引起线圈谐振所必需的，在谐振耦合中好似加以利用的。另外提到有关线圈电感量计算公式中，都没有关于线圈所用绕线直径方面的内容，这就表明了线圈的电感量与线径无关。

但实际上，线径大小虽然不影响线圈的电感量，却对线圈性能有影响。也就是说，线径越细，线圈的等效串联电阻就越大，Q值就越低，线圈性能就越差。

1.3 无线电能接收部分

无线电能的接受由三大部分组成，分别是整流电路、滤波电路和稳压电路。整流是为了方便接收线圈将高频率的正弦交流电压转化成我们负载所需要的电压。整流有半波整流和桥式整流。通过实验比较可知，桥式电流的效率以及对二极管的保护能力相对于其他方案要占优势一些。虽然整流可以将高频的交流电压转化为直流电压，但是输出电压会由很大的脉动成分，这样在给谐波进行供电时会受到很大的谐波干扰，因为我们还需要滤波。

滤波分为有源滤波与无源滤波，因为本实验是给两个LED灯供电，没有太高要求，因此我们采用无源滤波。而无源滤波又分为电容滤波，电感滤波和复式滤波，但是电容滤波比较简单，因此采用无源滤波。在经过了整流和滤波后，虽然高频交流电变成了直流电并且消除了滤波干扰，但是输出的电压却不稳定，为了满足要求，我们就需要添加稳压器件，把电压控制在要求的电压值。

1.4 显示处理部分

为了便于观察实验结果，采取单片机驱动液晶同时进行A/D装换。

二、系统理论分析与计算

2.1无线电能传输理论分析

在本实验中，我们采用的是谐振耦合式无线电能传输系统。 在本实验中就是采用的两个线圈，当线圈中通交流电时，线圈周围就会产生随时间变化的电场，于是空间就会有一系列的电场和磁场效应，能量从线圈上发射，变化的磁场与变化的电场一起向外辐射，就产生了电磁波，从而就可以达到无线传递能量的目的。

在此无线谐振耦合电路中，由于电磁耦合无线电能传输的谐振频率都在兆赫兹，而逆变电路的最高逆变频率只在几百K赫兹，远远达不到谐振器的工作频率，因此选用高频振荡电路作为信号源。另外在试验中发现频率一个很小的变化对整个系统的影响都非常大，由于所涉及振荡电路频率可调的范围有限，所以用八兆有源晶振搭建的信号源，通过门极谐振电路来驱动MOS管，降低前级驱动损耗，再驱动后极E类射频放大电路。

2.2无线电能传输理论计算

松耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分（可分离式变压器）是能量传输的关键。松耦合系统通过大間隔的耦合电感传输电能，所以产生很大的漏感，造成原边电流很大部分通过耦合电感流回电源，因而效率较低。为了提高效率并减小设备体积，办法是提高工作频率并使其工作于谐振状态，这时工作电流近似为正弦波形。设M为耦合装置互感，LP和LS为初级、次级激励电感，初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为w，电流有效值为iP，则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为Voc：

相应地，次级线圈的诺顿等效电流Isc为：

次级电路品质因数为QS：

R为次级电路等效电阻。

无线供电系统的能量传输能力，即次级线圈能够获得的最大功率Pm为：

其中，松耦合变压模块如图1所示。

因此，增大系统能量传输能力的方法有：增大工作频率f（w）、增加初级电流iP、增大互感M或减小次级自感LS、增大品质因数QS。由于品质因数不宜过大，因而有效系统传输能力的方法是增大工作角频率w和初级电流iP。

能量调节模块主要是调节电流，其主要作用是提高系统能量的传输能力，实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现功率补偿调控。

由于线圈拾取机构与导轨间的距离总是处于一种随机变化状态，导致拾取线圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此，由其形成的电压源不能直接驱动负载，必须经过整流、滤波、稳压等环节，才能以稳恒电压源的形式给负载提供稳定、有效供电。同时为了改善负载性质，使其在初级侧的反射阻抗呈纯阻性，提高系统的传输功率和效率，需在整流前加入一个功率补偿电路。

三、电路设计图

此电路主要是由发射装置，传输装置以及接收装置所组成。主要有三大部分，分别是稳压模块，射频放大电路以及桥式整流电路，完成给两只串联LED灯供电。

3.1稳压模块

线性稳压器7805能有效的将15V的电压转换为5V供其他模块使用，且成本低廉，效果好。

3.2射频放大电路

信号源通过74hc14对信号进行整流，然后通过门极谐振电路来驱动MOS管，组成E类射频放大电路，进行能量发送，其电路如图2所示。

3.3桥式整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其中的变压器起变压的作用，二极管相当于单向导电作用，四个二极管二二轮流导通与截止使波形完整，电路如图3示。

四、测试方案及试验结果

功率（W）

距离（cm） 实验数据 理论数据

0 0.98 14.7

5 1.33 14.5

10 0.413 14.3

为了验证理论设计和实际装置测试值的正确性，同时也为了论证设计达到指标要求，对样机进行了实验研究。上为试验数据。

从表中可知理论数据与实际数据有一定差别，其主要原因：一部分是元器件参数存在的误差，另一部分在高频情况下，元器件会产生内部寄生电容，并且还要考虑导线的电感。并且射频放大模块本身效率不高导致与理论相差较大。

五、设计总结

本次设计，主要是实现无线能量传输的功能，并且要达到一定的效率，整个过程中想过多种方案，最终确定为E类射频放大电路，但在调试过程中实验数据和理论数据差别较大，提高效率是今后努力的方向。