用于家用电器的较大功率无线电能传输技术研究

黄灵

【摘要】随着科技水平的不断提高，无线电能传输技术发展突飞猛进，其应用范围不断扩大，尤其是在医疗器械、家用电器以及电动汽车等领域。在无线电能传输技术中，以核磁共振式无线电能传输技术为典型，其具有比较适宜的传输功率，并且在家用电器中应用可有效避免有线供电方式中各种不安全因素和弊端。本文就是以核磁共振式无线电能传输技术为例，对其结构原理和设计方法进行了分析。

【关键词】家用电器；无线电能传输技术；研究

无线电能传输技术最早始于十九世纪，主要经历了微波无线电能传输、核磁共振式无线电能传输、感应耦合式无线电能传输三个发展阶段[1]。相对于导线传输电能，无线电能传输技术在用电安全、用电设备保护以及维护保养方面具有显著的优势特点。核磁共振式无线电能传输技术被广泛应用家用电器之中，较微波无线电能传输技术，其在使用安全性和防止应用副作用方面具有优异的性能；而较感应耦合式无线电能传输技术，其咋传输功率大小方面与家用电器使用功率正好吻合。下面着重以核磁共振式无线电能传输技术为例进行其结构原理、设计应用分析：

一、无线电能传输系统结构

核磁式无线电能传输系统主要由整流桥、逆变器、耦合线圈以及负载四部分组成[2]，其中最为关键的组成部分为耦合线圈。核磁式无线电能传输过程：外部电网供电先进入整流桥内，转变为直流电后传输至逆变器中，逆变器将接收的直流电转变为几十kHz以上的交流电，耦合线圈接收到变化电流后激发出交变磁场，并产生频率相同的交流电，后再经整流器接收后转换为直流电供给负载使用。

二、无线电能传输原理分析

核磁式无线传输系统关键技术在于耦合线圈技术，常见的耦合线圈连接拓扑结构包括串联-串联、并联-并联、串联-并联、并联-串联四种。由于家用电器电源为相对稳定的直流电压，通常耦合线圈以电容和电感串联方式为主，主要通过串联-串联和串联-并联两种结构完成。对于耦合线圈串联-串联拓扑结构，当输入和输出线圈回路固有谐振频率相同时，输出电压与输入电压间相位差为90°；当输入和输出线圈回路固有谐振频率不同时，输入和输出电流与电压是同位的，且负载变为纯阻性负载。耦合线圈串联-并联拓扑结构，即在耦合线圈发射线圈上为电容与电感以串联方式连接，而接收线圈中电容与电感以并联方式连接。在耦合线圈串联-并联拓扑结构中，电容与电感间的相位差与线圈工作频率、谐振电容、接收线圈的性能参数以及负载有密切关联。

三、无线电能传输系统的设计

进行无线电能传输系统设计时，主要从设计要求、耦合线圈的设计和硬件电路的设计三方面分析，具体为[3]：

（一）设计要求

以核磁式无线电能传输原理进行设备设计，对家用电器进行无线供电，设计要求具体为：发射端线圈要求在40*50cm以内；接收端线圈要求在20cm以内，供电电源要求为308V直流稳压电源；设备工作频率要求低于200kHz；负载要求为300-700w阻性负载；电压输出有效值要求在220V±10%；设备传输效率要求最低值大于70%。

（二）耦合线圈设计

进行耦合线圈设计时，主要从确定导线、线圈绕制、耦合系数以及电容的确定四方面进行分析。

（1）在确定导线方面，受趋肤效益影响，导线截面积缩小使得电流传输过程中电阻增大。由于线圈电阻对整个无线电能传输系统传输效率有明显影响，因此对组成耦合线圈导线进行确定选择时，应充分考虑导线直径。根据本系统设计要求，该导线直径确定为1mm，且使用漆包处理。

（2）在线圈绕制方面，对于发射线圈既可以做成圆形，又可以做成方形，就本系统设计要求来说为避免出现磁通量为零情况发生，选择发射线圈为方形。并且咋绕制过程中，采用单边绕制方法，由外向内进行线圈绕制，且保证线圈与磁芯保持同侧。对于接收线圈来说，通常采用双线圈并联方法，可有效将线圈电阻值降低。

（3）在线圈耦合系数方面，通常情况下耦合系数随耦合线圈距离增大而减小，且对无线电能传输系统的传输效率有重要影响。一般使用高磁导率材料，增强线圈耦合度，以此增大耦合系数。线圈组合不同，其耦合系数也随之改变。此外，耦合系数也受接收线圈中加入磁芯影响，这是由于磁芯的加入，提高了接收线圈的电感值，进而使耦合系数增加。线圈的相对位置对耦合系数也有影响，接收线圈间距越小，耦合系数越大。

（4）在确定电容方面，电容对于无线电能传输系统的传输效率具有重要影响，对电容进行确定时，首先确保电容量承受的电流、电压变化率足够大；其次是电容具有优良的高频特性；再次是确保等效串联电阻要足够小。电容值的能否匹配合适，可通过将多个电容串并联完成，既有效的降低了电容所承受的负担，又可以增强其分流分压特性。

（三）硬件电路设计

对无线电能传输硬件电路进行设计时，主要从逆变器、驱动电路、电流采样和保护电路三方面进行，具体为：

（1）在逆变器设计方面，当供电输入端为直流电压时，逆变器通常采用单相电压型方波逆变器，主要包括全桥逆变电路和半桥逆变电路两种。根据本系统设计要求，在该系统中主要采用全桥逆变电路。

（2）在驱动电路设计方面，驱动电路功能是接受由控制器发出的控制信号，并对该信号进行放大用以产生功率，当功率足够大时即完成对开关器件的开关状态控制。驱动电路在接收到控制器输出的控制信号后，在驱动电路内经一级推挽电路后，将控制信号芯片所需求电平，后进入集成驱动芯片，经芯片放大功率，将功率提高至开关器件所需功率水平，以完成对开关器件开关状态的控制。

（3）在电流采样和保护电路方面，根据设计要求，控制器的功能主要产生控制信号和采样检测输入电流。通常情况下，输入电流设置量程为5A，当大于量程时，系统通过对输出信号进行切断处理，以此保护功率。传感器输出信号的稳定性，是由信号输出处理电路决定的。传感器输出信号处理电路主要包括三级：第一级主要对电路进行滤波和运算处理；第二级主要以参考电压为基准，对信号进行运算；第三级主要利用RC滤波电路对信号进行二次滤波。

四、小结

当前，无线电能技术的改进和发展，使其具有更加广泛的应用空间，特别是在家用电器方面。无线电能传输技术较导线电能传输在安全性、便捷性等方面都具有较明显优势。本文以核磁式无线电能傳输技术为例，对其结构构成、原理技术以及相关设计方面进行分析，为无线电能传输技术后期应用奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]黄学良，谭林林等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013（10）：1-11.

[2]赵争鸣，张艺明等.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年1月：83-87.

[3]吴家宏.用于家用电器的较大功率 无线电能传输技术研究[D].哈尔滨工业大学硕士毕业生论文，2013.07.