一种用于无线充电系统的磁耦合天线

李琼+陈颖+王福艳

摘要：该文介绍了一种采用磁耦合共振方式进行无线能量传输的螺旋天线，该天线的谐振频率为19.3MHz，在传输距离为18cm时，具有70%以上的传输效率，证明了该天线用于强磁耦合无线能量传输时具有较远的传输距离和较高的传输效率。

关键词：磁耦合；共振系统；螺旋线圈；传输效率

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0261-03

1 概述

据中国无线充电行业现状调研及发展前景分析报告预测，全球无线充电市场将在未来出现大幅增长。电动车技术发展至今已持续一段时间，电池容量、寿命、充电时间与充电设备普及等问题与电动车行驶里程、充电时间和充电便利性密切相关。电动车无线充电技术或许是解决这些问题的办法。

电动车无线充电技术的发展，可分为多种不同类型，但无论哪种技术，其传输效率是使用者最关心的参数之一，也是无线电力传输系统最重要的议题之一，因此课题针对共振式无线电力传输系统的共振线圈进行设计和分析，以期实现高效率的无线充电系统。

2 天线设计

2.1 无线充电系统

一般无线充电系统架构如图1所示，系统分为发送端与接收端两个子系统，一般来说，发送与接收线圈设计一致。市电经由AC/DC转换器将交流电转换为直流电，再由DC/AC转换器将电力转换为所需电压的交流电，其中最重要的是需与发送/接收线圈的共振频率匹配，才能达到较好的传输效率。激励发送线圈可使其共振而产生一个共振磁场，若接收线圈置于磁共振磁场内，则会受到激励而产生共振，在线圈上产生电压和电流，从而实现无线电力传输。以一般应用来说，无线输电系统的负载需要直流电，所以需要整流器，然后由DC/DC转换器将直流电转换为负载所需的电压标准，例如一般手机充电为5V。

2.2 等效电路分析

无线充电系统的等效电路如图2所示，磁共振耦合由LC共振产生、经由电磁耦合进行电力传输，没有辐射电磁波，因此，磁耦合与电耦合可分别以互感和互容代表。

图中L与C 分别为线圈的自感值与电容值，由系统的分布参数决定，两线圈的耦合以互感（Lm ）表示，Z0表示特性阻抗，线圈的电阻损失与辐射损失以R表示。传输系数S21如式（1）所示，其中w为系统工作的角頻率，由于线圈的R值相对较小故可忽略不计，Z0为系统的特性阻抗，其值为50Ω，因此S21可被表示为：

2.3仿真结果

本文论述的磁耦合无线充电系统天线如图3所示，振线圈构型为螺旋形，且为开路型式。线圈所使用的导线线径为3.2mm，线径大可以降低内阻，提高传输效率。线圈的半径为150mm。

按预设参数使用Ansoft HFSS13进行系统仿真，图4至图8显示了仿真结果。图4显示，当收发天线间距离为150mm时，正如公式（3）和（4），天线有两个谐振频率。而图5至图7显示，收发天线间距离为180mm时，系统谐振频率19.3 MHz，S21约-1.396dB，传输效率为72.6 %；距离为200mm时，系统谐振频率19.3 MHz，S21约-1.53dB，传输效率为70.6 %；距离为260mm时，系统谐振频率19.3 MHz，S21约-3.39dB，传输效率为45.8 %。结果表明，随着收发天线间距离的增加，两个谐振频率逐渐靠近最后合为一个工作频率，传输效率也是先增大后减小。

2.4实测结果

按预定参数制成的线圈如图8所示，线圈的特性用向量网路分析仪进行测量，实测图如图9所示，经实测发送线圈和接收线圈的容抗和感抗在共振频率时值非常接近。线圈实测的传输距离与效率之间的关系如图10所示。传输距离18cm时，线圈间的最大传输效率为72.6%，当传输距离增加至26cm，传输效率降至45.6%。另外，当传输距离小于或大于18cm，系统传输效率都会渐渐减少，此为磁共振充电系统的特性。

进行电力传输实测的无线充电平台如图11所示，功率放大器使用射频放大器，最大输出功率为1kw，输出阻抗为50Ω，用5个60W的灯泡作为负载，以明示无线电力传输效果。

3 结论

本文通过共振的方式提高了无线充电系统的效率，提高了传输距离，通过多次实验和理论分析得出，即使相同的电路接法，在不同频率的电路中，传输效率和传输距离差异也比较大，只有当频率接近且发生共振时无线输电效率才比较高。

参考文献：

[1] 傅文珍.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009（6）.

[2] 李阳.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J]. 电工电能新技术，2012（7）.

[3] Wireless Charging Infrastructure for Electric Vehicles（Technical nsights）[C]. Frost & Sullivan，2012.

[4] TakehiroImura.Basic Experimental Study on Helical Antennas of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles by using MagneticResonantCouplings[C].IEEEVehiclePower and PropulsionConference， 2009 .