小功率短距离无线电能传输技术研究

陈煌林

(漳州职业技术学院，福建漳州 363000)

随着电子工艺技术的提高，电子产品的智能化、微型化成为了趋势。由于传统电能传输方式存在导线占用空间、导线易老化等一列问题，在电子设备结构日益集成化的今天，无线电能传输这种新型的技术越来越受到国内外相关领域研究人员的关注[1]。

目前主流的无线电能传输技术有三种形式：一是电磁感应式无线电能传输方式。该方式基于电磁感应原理实现电能无线传输。该传输方式具有传输效率高的优点，但其传输距离很近，适合短距离传输电能；二是磁耦合谐振式无线电能传输方式，该方式利用电路中电感、电容谐振原理实现电能无线传输，该传输方式具有传输功率大、传输距离较远的优点，但也存在由于频率分裂传输系统容易失谐，导致传输效率较低等问题；三是微波无线电能传输方式，该传输方式利用无线电波收发原理实现电能无线传输，该传输方式具有传输距离远、功率较大的优点，但其效率极低，而且大功率传输时会对人体造成伤害，目前主要应用在空间太阳能电站的无线电能传输。这三种无线电能传输方式各有其应用局限性，如何提高传输效率是该领域的难点也是亟待解决的技术瓶颈问题，一直制约着无线电能传输技术的应用和发展[2-4]。

为了获得较高的传输效率，本文针对小功率短距离的无线电能传输技术进行研究，并制作了试验系统进行验证[5-8]，该系统采用电磁感应无线电能传输方式进行设计。

1 无线电能传输系统设计

图1 电磁感应无线电能传输的等效电路

电磁感应式无线电能传输是指以电磁感应耦合方式来传输电能，该系统包含两个互感线圈，其中发射线圈与电源相连接，接收线圈与负载相连接。电流通过发射线圈产生磁场，对附近的接收线圈产生感应电动势，进而产生电流，实现电能无线传输。电磁感应无线电能传输的等效电路模型如图1所示，该电路模型包含两个闭合回路，左侧为发射端回路，右侧为接收端回路。

当左侧发射端回路接通交流电源Us后，将通过线圈L1产生向外的磁场。根据电磁感应原理，线圈L2产生电磁感应，进而在右侧接收端回路的负载RL上产生感应电动势。在两回路中加入补偿电容C1、C2可减少漏感所导致的功率损失，提高功率输出和能量传输效率[9-16]。根据图1所示初级线圈和次级线圈的阻抗Z1、Z2分别为：

(1)

由基尔霍夫定律可得方程：

(2)

由(2)式可得：

(3)

负载输出功率PL和电压源输出功率Pout分别为：

(4)

传输效率可表示为负载输出功率PL和电源输出功率Pout的比值：

(5)

(6)

因此,结合式(5)和(6)可得：

(7)

其中，M为发送圈和接收线圈之间互感[16]：

(8)

其中，n1、n2分别为发射线圈和接收线圈的匝数；r1、r2分别为发射线圈和接收线圈的半径；d为两线圈的距离。结合式(7)和(8)可知，该等效电路的传输效率与互感系数、电感频率、两端内阻、负载电阻有关，在频率、电阻不变的情况下，线圈间的距离越近，互感越大，传输效率越低。电磁感应电能无线传输的效率与很多因素有关，其中线圈负责转化电流能量为磁能,最后通过空间传输，是传输效率的重要影响因素。为此，有必要对线圈设计进行分析。

2 线圈的设计

电磁感应式无线电能传输技术利用发射线圈和接收线圈之间的电磁感应传输电能。一般情况下，发射线圈与接收线圈圈尺寸接近，收发两线圈之间的距离小于线圈的直径，能够得到较高的传输效率。收发两线圈电磁感应示意图(源自WPC官网)如图2所示。

图2 电磁感应示意图

假设通过发射线圈上的电流为Imsinωt。通过线圈互感和电动势关系，接收线圈所产生的感应电动势为：

(9)

从式(8)和(9)可知，感应电动势与两线圈的匝数、两线圈互感M成正比，与两线圈的距离成反比。在电能无线传输过程中，受系统本身设计的影响，存在着能量损耗，且能量损耗的大小与线圈耦合系数K、线圈品质因子Q这两个参数成反比[17-18]。

线圈耦合系数K为：

(10)

耦合系数K表示两线圈的磁耦合程度，其中，1代表两线圈完全耦合，0代表两线圈没有任何耦合。耦合系数K与两线圈的间距、尺寸比例、线圈间的角度有关。

线圈品质因子Q为：

(11)

Q因子与线圈绕线方式、形状、匝数以及线圈所用的材质有关，其中，Rcoil为线圈内阻。Q因子理论上值是一个从0到无限值的数，但在实际应用中，Q因子达到100己经是一个较好的数值了。

因此，同种材料制作的线圈，线圈间距越小、线圈匝数越多、半径越大、线圈内阻越小，传输损耗越小，传输效率越高。

3 实验研究与运行

3.1 系统总体构成

本文采用电磁感应的原理设计一种可以对放置在无线充电底座表面的手机进行无线充电的设备，受手机的尺寸与美观要求的限定，线圈不可能太大，系统要达到较高的传输效率，这就在一定程度上要求传输距离不能太大，而且手机充电只有5W左右，属于小功率。基于此,小功率短距离无线电能传输技术是现阶段手机无线充电可应用的最合理技术，该技术不仅满足充电功率，保证充电效率，同时解决了空间错位、障碍物对传输功率的影响。利用电磁感应方式实现手机的无线充电，系统总体构成如图3所示。

图3 手机无线充电器总体设计

如图3所示，该系统主要由发射端和接收端两个大部分组成，发射端由交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射线圈等部分组成；接收端由接收线圈、整流变换电路、检测报警电路等部分组成。通过电磁感应，在接收线圈产生感应电流，再经过整流滤波为负载提供直流电压，最终实现手机无线充电。检测报警电路检测电压、电流和温度等过程参数，如果检测到充电器过热或手机电池已经充满等情况蜂鸣器立即报警，提醒应立即停止充电[19]。

3.2 运行测试

使用数字万用表测量发射、接收两端电压和电流，据此求得发射端的输入功率以及接收端的输出功率，进而得到了手机的充电效率。为了进一步测试线圈距离与接收端输出电压、充电效率之间的关系，在保持发射线圈与接收线圈平行同轴的基础上，不断改变两线圈之间距离，测量收发两端的电压和电流。如图4所示。

图4 负载电压、充电效率随线圈距离变化曲线

由图4可知，负载电压与充电效率随着两线圈的距离变大而减小。图4(a)表明本系统的较理想的线圈距离是7 mm左右，图4(b)表明在两线圈距离7 mm的情况下本系统可获得较高的充电效率，基本能够稳定在67.3%，电池容量3000 mAh的Android手机平均用时145分钟左右充满，充电效率比有线充电低。如果线圈设计得更优化,减小接收端的温升的影响，本系统充电效率还会有显著的提高，这将是本课题组接下来的研究重点。

4 结论与展望

基于电磁感应的小功率短距离无线电能传输技术具有传输效率较高、结构简单、易于实现的优点。已有一些相关产品面向市场，技术较为成熟。本文在探讨无线电能传输的基本原理以及线圈设计的基础上，针对小功率短距离的无线电能传输技术进行研究，并论述了线圈距离对充电效率的影响。为未来无线电能传输技术向高功率、远距离、高效率的研究提供一些参考和借鉴。

但是，温升会导致热损耗且存在火灾危险，线圈分离造成的漏感会导致传输效率较低，这就要求我们将接下来的工作重点放在如何有效地减小损耗、降低温升的研究上。