基于电磁耦合共振式的无线电力传输研究

邓鑫 关静 王冲 温哥华 陈致允

摘  要：现今市场上的大部分无线充电设备，造价都较为昂贵，且仅针对某些价格比较高的电器如手机、蓝牙耳机、汽车等高端设备进行充电。同时考虑到充电协议不兼容等相关难题，设计一种低功率的充电设备，其中距离以及功耗问题则是文章研究的重点;该研究还利用语音控制模块对电力传输进行控制，实现智能化管理。设计的无线传输系统能够实现智能化电力传输控制，将无线输电应用到低端低功耗的电子产品中，提升用户对生活电器的使用体验。

关键词：无线电力传输;磁耦合共振;感应耦合;语音识别

中图分类号：TM46      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0040-04

Abstract：Most of the wireless charging devices on the market today cost more expensive，and is aimed at some of the higher price of appliances such as mobile phones，Bluetooth headsets，cars and other high-end equipment for charging. At the same time，considering the incompatibility of charging protocol and other related problems，a charging device for low-power electrical appliances is designed，among which distance and power consumption are the focus of this paper. The voice control module is used to control the power transmission and realize intelligent management. The designed wireless transmission system can realize intelligent power transmission control and apply wireless transmission to low-end and low-power electronic products，so as to enrich usersexperience in the use of household appliances.

Keywords：wireless power transmission;magnetic resonate coupling;inductive coupling;speech recognition

0  引  言

无线充电起源于19世纪末，当时电力先驱尼古拉·特斯拉展示了此项技术——通过在两个电路（发射器和接收器）之间产生磁场来传输电能。由于无线设备和小功率设备的紧凑性以及对无线充电系统和电源的需求，至21世纪人类对无线电力传输有了极大兴趣。但在大约100年的时间里，这项技术还未被广泛地实际应用，除了一些电动牙刷[1]。如今，有近六种无线充电技术正在使用中，而这些技术的目的都是改变从智能手机、笔记本电脑到厨房电器和汽车等所有领域的有线传输。同时无线充电正在推动医疗保健，汽车和制造业的发展，因为它带来了增加移动性和发展的希望，这些进步可以使微型物联网设备从数米远的充电器中获得电力[2]。

近年来，由于无线输电设备的兴起与学院注重培养学生的创新意识，本团队本着对科学的探究精神并与通信工程专业、个人兴趣等相结合，并基于江苏省大学生创新创业训练计划中的无线输电与人工智能相结合的项目，以此来开展对无线输电的研究，经过一番努力之后，做出了一定成果，并着手以论文的形式来呈现本项目组所研究的内容。在研究过程中结合学校现有的一些书籍和目前所掌握的专业课知识，在无线电力传输和智能化结合方面做进一步研究，并致力于解决目前市场上的众多小功率电器充电线繁多，整理复杂的问题，简化充电步骤。

1  原理

最常见的无线功率传输技术是电磁感应和微波功率传输。微波功率传输效率较低，尤其是对于近场功率传输，因为它涉及电磁波的辐射。可以通过电场耦合的方式来进行无线电力的传输，但是电场耦合提供了一个感应负载的电偶极子，该偶极子是一个开放的电容器或介电盘，外部物体可能会对电场耦合产生较大的影响。磁场耦合可能是优选的，因为磁场中的异物具有与空白空间相同的磁性，而电磁感应的缺点是范围很短。由于磁场耦合是一种非辐射功率传输方法，相比于电磁感应具有更高的效率，我们也可以通过施加具有共振现象的电磁耦合来增加功率传输范围。

1.1  磁共振耦合

磁共振耦合与电感耦合的原理相同，都是导线靠近磁场时，它将在该导线中产生磁场，通过磁场在电线之间传递能量，但是磁共振耦合使用谐振来增加有效传输能量的范围。谐振可以分为两种类型：串联谐振和并联谐振。这两种类型的共振原理是使最大的能量传递相同，但方法却大不相同。

共振能量转移或共振电感耦合是在相同频率下高度共振的两个线圈之间能量的短距离无线传输，执行此操作的设备可称为谐振变压器。尽管许多变压器会产生谐振，但这种类型的变压器具有很高的品质因数，并且几乎总是空芯以避免铁损。谐振传递是通过使线圈环产生振荡电流来实现的，从而产生振荡磁场。由于线圈高度谐振，因此放置在线圈中的任何能量在多个周期内都会相对缓慢地消逝，但是如果靠近第二个线圈，即使距离很远，该线圈也可以吸收大部分能量[3]。

1.2  電路的谐振

图1为磁共振耦合原理图，L1、L2、C1、C2分别为集中了两端的全部电感和电容，U1为电流源，RL为用电器的内阻。

在交流电压源正弦稳态运行下，当电源的频率与本征频率相等时，就会发生谐振，这时：

其中，ω0为谐振角频率。当满足以上条件时，能量传输效率最大[4]。

电路频率数值皆为f，ω为角频率，ω=2πf，发射线圈的回路阻抗Z1、接受线圈的回路阻抗Z2的表达式为[5]：

根据基尔霍夫定律和互感理论，可以对发射端回路和接收端回路列出方程：

进而可以求解出发射端线圈电流I1、接收端线圈电流I2、负载功率PRL和系统传输效率η。

其中，Re为实部。

2  模型的建立

低功率设备通常具有诸如电池或电容器的能量存储元件，用来为不同的电子电路提供能量。为了充电，储能元件必须通过电缆连接至稳压器和主电源、调节器、接线、导体以及储能器本身（尤其是在使用电池的情况下）这就导致一些元器件里因为线路问题影响了空间布局。为了解决这类问题，本项目利用学校里的一些基础设施，并借助江苏省大学生创新创业平台，综合现有的知识以及团队所有成员所达成的一致意见，搭建以无线电力传输为主要技术的实验模型，用来解决当今充电器种类过多的问题。通过无线能量传输可以消除电子设备中的布线，连接器甚至电池的需求。当可用的电路板空间很小并且要求降低成本时，这是理想的解决方案，因为可以从总成本中消除充电器的成本。该项目的目标为：设计和构建一种通过空间传输无线电力的方法。该系统将通过使用谐振线圈将功率从交流线路传输到电阻性负载来工作。为了评估各种几何和物理形状因数，以增加发送器和接收器之间的耦合，通过使用谐振耦合来最大化功率传输[6]。

首先是框架构建，根据市场上现有的无线充电器模型，再结合本文的研究方案，利用现有的一些技术制定了一套适合本项目的研究模型，框架结构如图2所示。

选用LD3320作为语音识别模块，并对LD3320進行改装重组，加入自制的语音识别口令并写入到代码之中。在LD3320内部，固化有高效的非特定人语音识别搜索引擎模块和完整的非特定人语音识别特征库，以及专为语音识别而作的硬件优化和加速设计，其内部逻辑结构如图3所示。

其中LD3320主要是用作语音识别，将语音口令转化为程序中的指令，达到智能化控制系统的目的。LD3320进行语音识别的工作流程如图4所示：对经过麦克风（MIC）输入的声音信号进行频谱分析-语音特征的提取-输入语音特征与样本特征（关键字列表）匹配-将匹配度最高的关键词语作为最终语音识别的结果输出。图中的实线指的是将所有识别到的信号传到下一模块中，虚线所指的是只传输了部分信号，经过微控制单元MCU的处理之后进入到下一步流程之中。语音指令通过继电器控制通、断电。这种工作流程可以高效的利用语音模块中的元器件，减少不必要的能耗。

由于本文中用电器对功率有一定的限制，直接使用220 V交流电不符合用电器的额定输入功率，因此需利用220 V转24 V的装换接口，再通过XKT-801大功率共振无线供电芯片，用于高功率远距离传输电力。此芯片可以自动调节供电电压，能够在较宽的电压范围下工作，可以实现高速能量输号传送，高效电池能量转换。其最大工作电压15 V，输出驱动电流2.5 A，如图5所示，可以保证发射线圈所发出的功率能够达到用电器的工作要求，继而完成整个供电工作。

3  实验分析

本文以低功耗LED灯为例进行实验，选择此LED灯主要是考虑到成本问题，在试验阶段可以避免耗材成本过高。制作的实物图如图6所示，首先使用语音信号“唤醒”“打开”控制继电器开启，给线圈供电并实现无线传输点亮LED灯，其中指令“唤醒”为一级口令，作用是唤醒语音模块，“打开”为二级口令，作用是执行具体操作。结束无线充电功能则通过一级口令“沉睡”“关闭”实现，使LED灯熄灭。经过多次实验，这种语音唤醒模式的开关稳定性良好，可以应用于家庭的台灯开关以及其他一些低功耗设备之中。实验表明本文所设计的无线充电系统最远距离可达30 cm左右，远大于当前大部分无线充电10 cm的充电距离，基本能够满足用电器的距离要求。

4  结  论

本文设计了一种基于电磁耦合共振式的无线电力传输系统，实验表明传输距离能够达到30 cm，且功耗较低，能够满足基本的用电器要求，设计方案具有可行性和可靠性。为了进一步提高本系统的实用性，可利用变压器等对电路进行改进，实现对大功率电器的无线充电，并增加本系统的传输距离，与语音模块结合，应用于智能家居中，为用户的日常生活提供更多的便利。

参考文献：

[1] 张斌.磁耦合共振型无线输电系统的研究 [D].兰州：兰州理工大学，2014.

[2] 杨明博.基于磁共振无线能量传输的巡线机器人充电系统关键技术研究 [D].北京：中国科学院大学，2013.

[3] 谢端.关于两线圈磁耦合谐振式无线电能传输的效率分析 [J].电子测试，2018（16）：40-41.

[4] 马爽.基于电磁场耦合模理论的空间无线能量传输技术研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[5] 赵晨远，刘永东，刘东，等.耦合共振式无线充电系统建模及其电磁兼容仿真分析 [J].水电与新能源，2017（12）：35-39.

[6] 韩竺秦，江锦华.电磁耦合共振式无线充电系统设计与实现 [J].电气传动自动化，2019，41（1）：12-16.

作者简介：邓鑫（1999—），男，汉族，江西赣州人，本科在读，研究方向：通信工程，计算机硬件;通讯作者：关静（1992—），女，汉族，山西运城人，助教，硕士，研究方向：图像处理、机器视觉。