弹载存储测试仪无线充电技术研究

韩晓斐，范锦彪，王 燕

（中北大学 电子测试技术重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

通过非物理接触使得电能得以传输的方式即为无线充电。人类率先实现了无线通讯与无线网络，而无线充电正是继它们之后的第三次无限革命，这意味着时代的进步，是一项具有基础性意义的前沿科技[1]。无线充电有很广泛的跨产品应用，可以用在电动牙刷、电动剃须刀等小家电中，还可以用于手机[2]、平板等的充电，最先进的可以为汽车进行无线充电[3]。

弹载存储测试仪也可以利用无线充电技术免去开盖充电的麻烦，达到便捷、安全的无线充电效果。

1 无线充电技术的原理

目前有4种方法可以实现无线充电，分别是磁共振式、电磁感应式、无线电波式、电场耦合式[4]。这4种充电方式的选取需要根据其使用环境、充电距离、充电效率等各自的特点进行考虑。

1.1 磁共振、无线电波、电场耦合

磁共振无线充电系统是由2个模块组成，分别是发送模块和接收模块。当发送模块的频率与接收模块的频率一致时就会产生共振，从而可以实现能量的交换，达到无线充电的目的[5]。要想实现基于磁共振式的无线充电，改装的发送模块和接收模块均需要直径较大的线圈，而弹载存储测试仪的装置本身以及其使用要求均无法满足这个大线圈所需要的空间，实现难度较大。

基于无线电波技术的无线充电系统由3个部分组成，分别是微波产生装置、微波发射装置和微波接收装置[6]。通过无线电波技术进行无线充电的优点是高频率的微波可以通过电离层，不会反射，这样其传输效率极高，但是其空间占用较大，因而该装置不适用于弹载存储测试仪的无线充电。

电场耦合技术的无线充电原理与其他的充电方式完全不一样，它是通过电场进行无线充电。它的充电原理是通过2组非对称偶极子沿垂直方向耦合产生的感应电场来传输电力。这种充电方式成本高、体积大，不适合应用于弹载存储测试仪。

1.2 电磁感应技术

本次研究的内容是采用电磁感应式的无线充电技术对弹载存储测试仪进行无线充电。电磁感应式的无线充电方式应该是目前最为成熟、普遍的充电方式。其根本原理就类似于一个变压器[7]。装置内含有2个线圈，分别置于发射端与接收端。将一定频率的交流电通到发送端的线圈上，由于接入的交流电的不断震荡而产生磁场，进而通过线圈耦合使得接收的线圈中产生相应的电压，从而将能量从传输端转移至接收端[8]。

2 弹载存储测试仪的无线充电设计

由于弹载存储测试仪的面板较小，目前最小的面板大小如同一角硬币，在其上加上电源充电插口占用面积较大[9]，如图1所示。在根据弹载存储测试仪壳体形状、材质等自身要求，对于弹载存储测试仪的无线充电设计了其结构图。如图2为弹载存储测试仪无线充电器的设计图。

图1 弹载存储测试仪的面板Fig.1 Panel of a missile borne storage tester

图2 弹载存储测试仪无线充电的设计Fig.2 Design of wireless charging for missile borne storage tester

基于电磁感应式的弹载存储测试仪的无线充电设计主要包括三部分，即能量发送端、非接触式线圈耦合、能量接收端。交流电通过高频逆变电路产生高频的交变信号，它驱动发送线圈在周围空间形成一个比较稳定的交变磁场，接受线圈通过耦合就会产生感应电动势，这样就得以给负载供电[10]。

3 影响无线充电效率的各参数分析

3.1 无线充电传输原理分析

当无线充电模块的工作频率等于其发送端、接收端电感电容的固有谐振频率时[11]，能量就可以通过系统谐振从发射端传输至接收端，该系统可以等效为如图3的电路图。

图3 等效的无线充电原理图Fig.3 Equivalent wireless charging schematic

利用基尔霍夫电压定律根据等效的无线充电原理图可以分别写出发射端与接收端的电压以及电流方程，由此就可以得到发射端的输入功率Ps和接收端的输出功率Po[12]，即：

由式（1）、（2）可以得出充电效率 η：

发射线圈、接收线圈的互感M、耦合系数k、发射端电感Ls以及接收端电感Lr之间的关系为

将式（4）代入式（3）中得：

由式（5）可以看出，无线充电的传输效率与系统的固有频率，发射、接收线圈的耦合系数，发射端接收端的电感Ls、Lr等有关。R1、R2、RL分别为发射端、接收端、负载的等效电阻。

3.2 Matlab对各参数的仿真分析

本文以弹载测试存储仪为待充电对象，其阻值RL等效为20 Ω。无线充电的发射模块、接收模块等效电阻R1、R2为 0.3 Ω、0.1 Ω，结合式（5）通过 Matlab仿真，分析无线充电效率与其他各参数的关系。

3.2.1 电效率与发射端、接收端电感的关系

在保证除发射端电感Ls和接收端电感Lr之外其他因素不变的情况下，将各参数代入式（5），分析得出无线充电效率与发射端、接收端电感的关系如图4所示。

图4 无线充电效率与发射端、接收端电感的关系Fig.4 Relationship between wireless charging efficiency and transmitter and receiver inductance

由图4可以分析出，无线充电效率随着发射端、接收端电感的增大而逐渐增大。在发射端、接收端电感均为200 μH时，其充电效率可达94%以上。由于弹载存储测试仪在使用时其配重有严格的要求，故无线充电系统的接收模块越轻越好。在发射端电感选择一个较大的值时，发射端电感逐渐增大，无线充电效率的增幅并不是很明显。综上所述，在弹载存储测试仪的无线充电系统中发射端选择较大电感，接收端可以根据实际情况选择较小的电感。

3.2.2 充电效率与耦合系数k的关系

利用Matlab仿真做出充电效率与耦合系数k、输出功率P的关系如图5、图6所示。

图5 充电效率与耦合系数的关系Fig.5 Relationship between the charge efficiencyand the coupling coefficient

图6 输出功率与耦合系数的关系Fig.6 Relationship between the output power and the coupling coefficient

耦合系数是影响无线充电效率非常重要的一个因素，由图5、图6可以分析出，耦合系数太大，无线充电系统输出功率会逐渐减小，耦合系数太小，无线充电系统充电效率太低。因此，可选取弹载存储测试仪无线充电线圈的耦合系数范围为0.06～0.125。耦合系数与两线圈间的距离、两线圈中心偏移程度等有关。而在弹载存储测试仪的无线充电系统中，由于弹载存储测试仪外壳是铝壳，接收线圈置于装置内部，其耦合系数还与两线圈间所隔铝片的厚度有关。

4 无线充电的仿真

借助UG、Workbench联合仿真，通过改变两个线圈间的距离、两个线圈中心的相对偏移程度以及两个线圈中间所隔铝片的厚度对弹载存储测试仪无线充电的磁场环境进行了模拟分析。仿真时给发射线圈电流激励，通过接收线圈的磁场强度就可大致分析出适合弹载存储测试仪无线充电线圈的对应参数。

4.1 无线充电线圈的设计及相关参数设置

弹载存储测试仪内部空间比较紧凑，因而要求无线充电的接收线圈实现轻薄化、小型化。发射线圈处于装置外侧，故对其体积大小要求不那么严格，采用较接收线圈大一点的线圈作发射线圈。如图7为弹载测试存储仪的无线充电线圈的设计。

图7 弹载测试存储仪的无线充电线圈的设计Fig.7 Design of wireless charging coil for missile borne test storage device

本文设计的发射线圈外径135mm，内径125 mm，匝数为6。接受线圈外径43 mm，内径4 mm，匝数为40。两个线圈的厚度均为0.8 mm。

4.2 无线充电线圈间距对磁场的影响

在垂直于磁感应线圈平面，对两线圈间距分别为10 mm～100 mm条件下的磁场强度分布状况进行仿真，如图8所示。为便于分析对比，从上到下有9种颜色来区分磁场强度的大小。

图8 线圈不同间距磁场分布Fig.8 Magnetic field distribution at different distances between coils

由图8（d）可以看出，随着两线圈间距的增大，接收线圈上的磁场强度有明显的减小，因而，弹载存储测试仪无线充电装置的两个线圈间的距离应尽量减小。

4.3 两个不同偏移距离对磁场强度的影响

在两线圈垂直距离不变的条件下，分析两线圈中心相对偏移距离为0 mm～70 mm对磁场强度的影响，如图9所示。

根据仿真结果可以分析出在同一水平面上，接收线圈距离发射线圈中心越近，磁场强度越强，偏移距离在10 mm～35 mm之间接收线圈上的磁场强度变化程度不大，在满足一定充电效率要求的条件下，可选择出10 mm～35 mm的允许充电范围。

图9 线圈不同中心偏移距离磁场分布Fig.9 Magnetic field distribution of different center offset distance of coils

4.4 不同铝片厚度对磁场强度的影响

在两线圈间距以及偏移程度不变的情况下，分别对0 mm～3 mm的铝片厚度对磁场强度的影响进行仿真，如图10所示。

图10 线圈间隔不同铝片厚度磁场分布Fig.10 Magnetic field distribution of different thickness of aluminum sheet in coil interval

弹载存储测试仪在使用时是置于子弹内部，它测量的加速度过载小至几个g，大至几万g，因此它的壳体材质、厚度均由其使用环境所决定。而无线充电只可应用于测量小g值的弹载存储测试仪，并且要求弹载存储测试仪的壳体是铝质材料，壳体铝片的厚度直接影响无线充电效率。所以，选择既不影响充电效率又满足弹载存储测试仪使用要求的壳体厚度尤为重要。经Workbench仿真、Matlab分析可知铝片厚度在2.5 mm以内，接收线圈的磁场强度在2.18 A/m以内，在实际选取壳体厚度时可考虑2 mm左右的铝片厚度。

5 结语

本文主要研究弹载存储测试仪的无线充电技术，其充电方式选择电磁感应式的无线充电。这种充电方式既可以节省弹载存储测试仪面板上本身的空间，又使得装置充电简单便捷，同时可以避免电力传送单元外露，具有安全性、耐用性。通过Matlab分析，弹载存储测试仪无线充电发射模块选择大电感，接收模块选择小电感。通过研究耦合系数对无线充电效率、输出功率的关系，得出弹载测试存储仪线圈间耦合系数值应在0.06～1.25之间。同时对影响线圈耦合因数的几个参数利用Workbench进行了仿真，结合实际情况，弹载测试存储仪的无线充电要求两线圈距离尽量接近，中心偏移距离在10mm～35mm的范围内，壳体底座厚度在2mm左右。