一种电能无线传输装置的设计

吴 亮，石岩岭

(1.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009；2.山西大同大学网络信息中心，山西大同037009)

1 系统方案

磁耦合谐振[1-5]无线电能传输装置是一种实现电能隔空传输的装置，其优点为远程传递、不定向、耐用系数高等。正因为其优点独特，使其更加受到重视。如图1所示，该种传输的主要设备有：电感A，经过功率振荡电路，将能量最终传递到源线圈S，并且S与A耦合，D与电感B耦合作用，实现能量传递，在这个结构中，KS与KD都是近程的，磁耦合谐振K是远程的。根据我们的设想，需要制作一个半径为10 cm的空心发射线圈，以及半径为9 cm空心接收线圈，利用信号发生电路将输入的直流15 V电压转化为PWM脉冲信号，之后将直流电流变成交变电流，故而接收端产生随时间变化的电流，之后再流经整流电路将交流电流转换为直流电流，进而满足要求实现无线传输。

图1 设计原理图

无线传能系统的传输方式[6-10]：第一种是根据电磁感应完成能量传输，该方式可以以较大的功率输出，从而减少材料的使用，更加环保。它的缺点是传输距离小，并且两个线圈的位置是固定的，不能偏移；第二种是通过激光或微波完成能量转换和传输。该方式具有传输距离很远的优点，但是效率低下，对天线的方向要求很高，而且遇到障碍物传输就会中断；第三种是利用磁耦合谐振。该方式的特点是方向性要求不高，而且不受障碍物的影响，小功率的无线传能系统对人体几乎没有危害，更安全；缺点是成本高，对硬件的要求高，受外界的干扰容易产生失谐，不易调试。负载变化时，传输功率可能也会变化，并且不能通用。本次设计的试验装置主要采用电磁耦合谐振方式[11-13]实现。

（1）信号发生方案选择

方案一：使用信号发生器，该方式输出的信号极其稳定，几乎可以忽略干扰问题；方案二：使用单片机控制类似AD9850的芯片输出信号，该方式输出的信号精确，但成本高；方案三：使用PWM信号，这时就需要使用单片机，该方式电路方便简易，频率勉强能达到设计要求。综上所述，选择方案三。

（2）驱动电路方案选择

驱动电路是本次设计的关键之一，常见的驱动电路分为3种。方案一：驱动芯片IR2110加单管驱动电路，这种电路虽然实惠、方便、易行，但由于在功率小时会有比较大的冲击电压，容易发生击穿现象；方案二：驱动芯片IR2110s加半桥驱动电路。但其电路的功率较小；方案三：驱动芯片IR2110加全桥电路，该种电路的功率大，不容易产生冲击电压。综上，选择方案三。

（3）整流电路的选择

方案一：半波整流。其效率低，提供的负载电流较小。这也是其相对于全波整流的缺陷。方案二：桥式整流。该电路的整流效果同全波整流相同，但其结构更简单，且效果也不错。综上，选择方案二。

（4）发射线圈的选择

根据现有材料及其实际情况考虑，线圈选用多层同心铜芯线圈。

（5）总体方案的设计

总体系统框图如图2所示。其中，PWM信号发生电路包括对STC89C52和74HC14两个部分。STC89C52部分输出矩形波，74HC14可以防止驱动电路中的MOS管同时导通。驱动电路是整个设计的核心。负责驱动线圈，使LC电路产生谐振进行能量的传输。由于以上部分的需要5 V供电，与题目要求不符，所以需要添加降压电路为PWM发生部分和驱动电路部分供电。线圈两端的输入电压类似正弦波，从而接收线圈感应到的是一个不断变化的电压。最终我们需要的是不随时间变化的电流，显然，我们得到的不符合要求，需要使不断变化的电流通过滤波，从而输出不变的电流，输入到下级中。

图2 电磁耦合谐振系统框图

2 理论分析与计算

根据LC串联谐振的实质，需要恰当设定各个装置的参数，从而进一步使得整个系统的频率均一致，在此前提下，在两个线圈设备之间实现能量的高效传递。要想获得最大的转化效率，须满足任何一处装置的谐振频率均一致。

信号发生电路，该设计主要通过使用STC89C52实现，将降压之后的直流电流，通过PWM发生电路产生后续电路中所需要的正弦交变电压。本实验采用p35为输出引脚。

驱动电路主要由两个IR2110交替控制H桥桥式驱动电路上管升压，下管原压，从而获得随着时间不断变化的正弦电压，进一步将交变电场转化成交变电磁场。

接入15 V的电源到降压电路，流经降压电路之后，变为5 V，最终通过驱动电路到达初级线圈，从而在发射部分的装置产生电场，进而在两个线圈之间感化出磁场，将能量传递到下一级电路。

因次级线圈产生的是随时间变化的电流，而我们实际需要的是不随时间变化的电流，为了满足实验装置所需要的条件，这就要求在次级线圈后加一级整流电路。再者，因为接收端谐振之后形成随时间不断变化的高频的电流，一般而言，高频电流容易形成热量[14]，为了保护器件的完好无损以及充分利用电能，故而我们接入3个小电容，以此来减少损耗。

在参数选择方面，首先设定发射线圈半径为10 cm，接收线圈的半径为9 cm。接着要决定线圈的绕法，即从多层平绕、缩绕和单层同心圆绕三种方式中选取其中最合适的一种。经过实验比较，缩绕的传输效率最高，因此选用缩绕，测出电感值约为100 H，经过测量计算，我们决定使用1100 p的电容，经过前面各项参数的设定，也可以知道谐振频率几乎为34 KHz。

3 无线电能系统的实现

（1）降压电路

使用MODE:LHMOPWS2。该模块可以由15 V直流电压输出稳定的5 V直流电压。

（2）PWM发生电路

STC89C52单片机有8通道，10位高速ADC，还有两路PWM输出并且可作为2路D∕A使用，2个定时器和2个外部中断和高速同步串行通信接口；74HC14，它能够承受的最大电压为5 V，所以我们输入到PWM发生电路的最大电压必须为5 V，只要超过这个数值，该器件就容易损坏，故而我们在该电路之前加了15～5 V的降压电路。它能把不明显的信号变为清楚可见，无抖动的很稳定的信号，并可以保证电路的安全。

（3）驱动电路

如前面分析，由两个IR2110组成的对称电路构成驱动电路，而IRF540N是一款耐压值为100 V,可承受最大电流33 A。

（4）LC谐振电路

LC谐振电路由线圈并联组成，线圈的常用材料是普通导线或漆包线，此次实验中所用的线圈材料是多层同心铜芯线圈，发射线圈的半径为10 cm，接收线圈的半径为9 cm。系统处于谐振状态时，线圈痛死在进行能量的传输，并且整个系统出了热能的损耗外其余的能量都在电容中。由上述内容LC谐振点路中线圈的电感量和谐振电容[14-15]非常重要。

由于我们使用的线圈工作效果受电感，粗细(横截面大小)等因素的影响。由于以上参数的原因，系统在工作的时候，线圈的电感量和损耗电阻增大，会导致线圈的不稳定影响效率。

（5）整流滤波电路

因次级线圈产生的是随时间变化的电流，而我们实际需要的是不随时间变化的直流电流，为了满足实验装置所需要的条件，这就要求在次级线圈后加一级整流电路[16-25]，如图3所示。

4 测试与分析

整个实验装置中只有两种储能器件，分别是线圈和电容。当线圈不变，电容增大时，电容所存储的能量增大，传输距离越远。此时，谐振频率可能不准确，传输频率可能会降低。在谐振频率近似相等的时候，要想使K的值增大，使远程情况下LED灯也可以发亮，需要使磁场作用的区域变广，故而最需要满足使线圈的半径变大的条件。此时，传输效率不会有太大的变化。当线圈线径不同时，根据公式R=ρL∕S我们可以得出，L上升，电阻降低，根据欧姆定律，电流值上升，势必会使磁场作用的区域变广，故可实现远程传输，传输距离增加。在本次试验中使用2 mm的线圈的有效距离是25 cm，最远可达50 cm，此时几乎不亮。当谐振电容不改变，电感量越大，其距离越远，能量的损耗加快。电感量越小，其距离越远，与电感量大时的能量损耗相比，其能量损耗较慢距离也就更远。由于在调试过程中频繁改动单片机的频率不仅会损坏单片机而且比较麻烦，所以采用波形发生器来更方便快捷的寻找最合适的频率。经调试后，最佳频率稳定在34 KHz。

电压为13 V左右时（不要超过15 V）加到降压电路，保持K=10 cm,记录负载两端的电压电流的数值，并把记录的数值带入公示运算得出η；将两个一瓦的LED灯代替电阻加入电路，其他条件不变，使LED灯长亮的情况下，改变K的值，量出并记录K的值，得出K的最大值。15 V的直流电源，米尺（计量发射线圈和接收线圈之间的距离），数字万用表（观察并记录输出U和输出I的数值），结果如表1所示。由此可知，最佳频率稳定在34 KHz，距离k为36 cm为最佳状态。

表1 测试结果及对比

5 总结

本文主要实现一种无线电能传输装置的制作，并结合实践了解电磁耦合谐振传输的原理，进而了解影响电能传输距离的原因。本次设计的实验装置还存在缺点。如电能传输的效率不高，原因可能是谐振电容不匹配。无线电能传输技术在目前的发展不是很好，面临的主要问题是效率小、距离短、还有对人体的伤害等等一些问题，而且这项技术刚刚应用于社会生活中的一些领域，目前的研究都要求间隔相对要近，需要在特定的区域内进行充电，这样效率才不会很低，这就要求我们不断探索发现，摆脱距离对效率的影响，实现长距离也可以高效率的供电。希望在不久的将来，所有的设备都将实现无线供电，从而摆脱对电线的依赖，消除因为电线老化而带来的一些隐患。

图3 接收端电路

[1]张献,杨庆新,陈海燕,等.电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证[J].中国电机工程学报,2012,32(21):153-157.

[2]张玉叶,张小青,薛小庆.一种无线电能传输装置的设计[J].陕西理工学院学报（自然科学版）,2015,31(1)：26-30.

[3]何茜,朱栋山,潘银松.无线电能传输系统原理分析与设计[J].微型机与应用，2009,(23)：60-62.

[4]王学通,冀文峰,薛卧龙.耦合谐振无线电力传输谐振频率跟随设计[J].微型机与应用,2013,32（8）:58-60.

[5]张茂春,王进华,石亚伟.无线电能传输技术综述[J].重庆工商大学学报（自然科学版）,2009,26（4）:485-488.

[6]任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

[7]黄辉,黄学良,谭林林.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术,2011,30:32-33.

[8]张凯,潘孟春,翁飞兵,等.感应耦合电能传输技术的研究现状与应用分析[J].电力电子技术，2009,30(4):76-78.

[9]戴卫力,费峻涛,肖建康,等.无线电能传输技术综述及应用前景[J].电气技术,2010,(7):1-6.

[10]杨庆新,陈海燕,徐桂芝.无接触电能传输技术的研究进展[G].电工技术学报，2010.

[11]傅文珍,张波,丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能传输系统研究[J].第三届中国高校电力电子与电力传动学术年会.北京.2009,4.

[12]夏晨阳.感应耦合电能传输系统能效特性的分析与优化研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[13]李婉婉,李宏.磁耦合谐振式无线电能传输装置设计[J].微型机与应用,2015(2):36-38.

[14]王磊.面向嵌入式故障诊断系统的磁耦合谐振式无线供能研究[D].北京：国防科学技术大学,2012.

[15]夏述堰.环境振动能量转换器与功率调理电路的参数优化[D].广州：中南大学,2008.

[16]高晶.声光调制器驱动源及其通信系统研究[D].太原：中北大学,2013.

[17]董苗苗.磁耦合谐振式无线电能传输的研究[D].北京：华北电力大学,2015.

[18]王中钰,赵洛印.磁耦合式无线电能传输装置的频率特性研究[J].黑龙江科技信息,2013(14):90-92.

[19]任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011.

[20]范明.谐振耦合式电能无线传输系统研究[D].太原：太原理工大学,2012.

[21]周颖哲,郭典清,孙耀杰,等.基于PSIM的高压钠灯电子镇流器仿真分析[J].复旦学报(自然科学版),2007(1):133-138.

[22]李阳.大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究[D].石家庄：河北工业大学,2014.

[23]杨世源,李明德,陈燕梅,等.磁耦合谐振式无线电能传输系统设计实验分析[J].陶瓷工程,1994(6):3-6.

[24]Darrin J，Young.Wireless Powering and Data Telemetry for Biomedical Implants[J].31st Annual International Conference of the IEEE EMBS,Minnesota,USA,2009:3221-3224.

[25]Madden J D,Hunter I W.Three-dimensional microfabrication by localized electrochemical deposition[J].Microelectromechanical⁃Systems,Journal of,1996,5(1):24-32.