基于单线电能传输的无线供电平台设计

2018-07-27程瑜华钱高荣陈国雄

实验室研究与探索 2018年7期

程瑜华，钱高荣，陈国雄，苏翔

(杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018)

0 引言

随着科学技术的快速发展，越来越多的电子产品融入到现实生活中。如今，电子设备的供电方式主要依靠有线方式来实现。在信号的无线传输越来越普及的背景下，这种电能的有线传输方式不仅显得越来越不方便，而且存在着较大的隐患，比如导线随着使用时间的增加会出现线路老化磨损、产生电火花等一系列问题，影响到用电设备的寿命，甚至有可能导致人身触电，给人们生活带来安全问题。此外，在一些环境条件苛刻的场合，导线的布线也会遇到极大的阻碍，即便采用蓄电池供电，当电池电量耗尽，更换电池的成本也很昂贵；同时在地下矿井作业时，由于有线供电方式常常会产生电火花，严重影响人身安全。正是由于传统的有线输电方式存在诸多缺陷，而无线电能传输方式在很多应用场景下能够弥补这些缺陷，于是无线供电技术应运而生[1-3]。

19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)便提出“单线电能传输”的思想，通过使用调谐到谐振频率的电气网络，可以仅使用单个导体传输电能，而不需要回线，这被认为是“通过一根电线传输电能而不返回”的单线电能传输方式[4-5]。此后，国外也有一些单线电能传输的研究开展[6-7]。现如今，针对特斯拉单线传输原理，国内也有不少团队对特斯拉的单线传输系统进行了复原[8-10]。但现有的单线电能传输系统中存在装置复杂、使用不便、传输距离受限、用电自由度较低等问题，这在实际应用中显得不够方便。另一方面，无线电能传输越来越受到大家的关注[11-14]。本文提出了一种将单线电能传输和无线电能传输相结合的新型供电平台。相比于传统的双导线供电系统和无线供电系统，本系统具有明显的经济效应；相比于传统的单线供电系统，本系统具有更大的供电自由度。本文对实验原理进行了分析，给出了相关参数的设计方法，最后通过实验进行了验证。

1 实验原理与设计

基于单线电能传输无线供电平台的实验设计如图1所示，其中，能量发送端使用一个信号发生器和一个功率放大器实现，功率放大器的输出端连接一块金属导体平面(如铝箔)，作为无线能量发送平台。能量接收端使用一个绕制在绝缘材料上的螺旋线圈，在线圈的上端口和线圈中间某处连出的抽头之间连接一个灯泡负载。

图1 基于单线电能传输的无线供电平台系统模型图

图2给出了上述实验装置的等效电路原理图。图中：C1为金属导体平面与螺旋线圈之间形成的寄生电容；C2为螺旋线圈与大地之间形成的寄生电容；L1和L2分别为螺旋线圈的两部分的自感；RL为负载的等效电阻值，信号源和功率放大器被等效为U(t)。系统的工作原理为：功率源产生的电流传导至金属导体平面，经电容C1以位移电流的形式传导至螺旋线圈的L1部分，分别流过并联连接的L2电感和负载，最后通过电容C2以位移电流的形式传导至大地回到功率源。

传统的供电系统通常使用两根导线形成电流的环路，从而实现电力传输。与传统的供电系统相比，此系统中至少有两个优点：①电流的回路部分由于通过位移电流形式而非传导电流的形式进行传输，因此节省了一根导线，实现了单线电能传输。这样的系统，不仅节省了成本，而且由于大地具有更低的阻抗，使系统具有更低的能量损耗。②能量接收端与能量发送端之间没有导线连接，实现了无线电能传输，提高了实际应用的便捷性。

图2 无线供电平台等效电路原理图

由于寄生电容C1和C2在电路中以电抗的形式存在，为了将电能更有效地进行传输，需要将电抗补偿掉，这部分工作由螺旋线圈的电感实现。当系统的工作频率等于电容C1、C2和电感L1、L2形成的谐振频率相等时，电源的无功功率可以减小到最小。一个空心螺旋线圈的电感值为[13]

(1)

式中：μ0为真空中磁导率；N为绕制匝数；l为螺线管绕制高度；r为螺线管半径。相比于螺旋线圈与大地之间的距离，螺旋线圈与金属导体平面之间的距离小很多，因此电容C1的值比电容C2的值要大很多，使得C1和C2串联的电容值可以近似为电容C2的值。电容C2的值通过在电磁场全波仿真软件Ansoft HFSS中仿真拟合得[15]：

(2)

式中：ε0为真空中的介电常数。

系统的工作频率f即为系统中电感和电容形成的谐振频率：

(3)

2 实验结果

在实验中，功率源采用Tektronix AFG3053C信号发生器后接一个最大频率为10 MHz的功率放大器(型号FYA20A0S)实现，其信号输出至一片大小为30 cm×30 cm的铝箔上，实现能量发送平台。在能量接收端，螺旋线圈采用线径为0.71 mm的漆包线绕制在直径为7 cm的圆筒上，共绕制280匝，高度为24 cm。负载连接在离螺旋线圈上方端口20匝处。通过计算可得，螺旋线圈的电感约为1.27 mH，电容C2约为C=4.05 pF，其谐振频率约为2.22 MHz。

将一个15 W的LED灯泡作为负载连接在螺旋线圈上方并放置在铝箔上方，同时在铝箔和螺旋线圈之间插入一张白纸，以保证螺旋线圈与铝箔之间没有连接。如图3(a)所示，15 W的LED灯泡被点亮，验证了基于单线电能传输的无线供电平台的初步设计。

(a) 15 W灯泡供电(b) 多负载供电实验图

图3 无线供电平台实验图

在此基础上，进一步进行了多负载的实验。在图3(a)实验基础上，再放置一个由一串发光二极管制作的“HDU”字样的阵列作为负载的、具有相同尺寸的螺旋线圈，如图3(b)所示。实验表明，两个负载能被同时点亮，验证了此实验设计可以作为一个无线供电平台为多个负载供电的功能。

为进一步验证此无线供电平台的无线供电距离能力，在负载与铝箔之间插入了不同厚度的绝缘层(纸盒)来进行实验。如图4(a)和4(b)所示，在插入厚度约为2、3和13 cm的绝缘层后，15 W的灯泡仍能够被点亮。但是，相比于图4(a)所示的灯泡发光亮度，图4(b)所示的灯泡发光亮度较暗，图4(c)所示的灯泡发光亮度最暗。这是由于随着螺旋线圈与铝箔之间的距离增大，电容C1的值变小，导致电容C1和C2串联电容值变小，电感和电容形成的谐振频率偏移了系统工作频率，导致功率源的输出有功功率变小。同时，铝箔和线圈之间有更多的能量耗散在空间中，使得灯泡接收的功率变小。

(a) 2 cm

(b) 3 cm

水平距离的测试是将线圈和负载放置在铝箔旁边9 cm处进行。如图5(a)所示，15 W的灯泡依旧可以被点亮。逐渐增大线圈与铝箔之间的距离，15 W灯泡的亮度将逐渐变暗。如图5(b)所示，线圈与铝箔之间的距离为19 cm，15 W灯泡的亮度变得较暗。其现象和原理与图4所示类似，灯泡亮度变暗是由于线圈与铝箔之间的电容随着距离增大而变小导致的。