多接收无线桌面充电系统设计＊

2022-12-09张柯炜薛宇飞王昭淇

科技与创新 2022年23期

张柯炜，薛宇飞，强浩，王昭淇，牛辉

（1.常州大学海外教育学院，江苏常州 213164；2.香港浸会大学理学院，香港 999077；3.常州大学机械与轨道交通学院，江苏常州 213164）

18世纪初期，电能与磁能之间的特殊关系第一次被人类所发现，奠定了电磁理论的基础，从此人们迈向了电气化崭新的时代[1-2]。1894年，科学家尼古拉·特斯拉在一个实验室用无线电能传输的方式向另外一个实验室传输能量并成功点亮了另一个实验室里的白炽灯，这一次的电能传输实验用了电磁感应、共振感应耦合等新兴技术[3-4]。随后的几十年内，特斯拉在岛上建造Wardenclyffe塔，这位科学家希望将地球上的物体实现电离层共振，从而实现大范围的无线电能传输，使得能量的传递变得方便简洁[5]。等到了1971年，任教于新西兰奥克兰大学的唐·奥托教授成功开发出一个使用磁感应供电的小型手推车。在1988年，该大学里的约翰教授带领着他的一个电力研究小组，开发出新型逆变器，制造出了世界上首个非接触式电能传输的模型。20世纪中后期至今，无线电能传输成为各个科学领域的重要研究课题，这个热点技术受到许多人的重点关注。

1 系统传输特性分析

无线能量传输系统主要通过交变的磁场实现能量的传输，电磁耦合机构由发射线圈和接收线圈组成。图1为其结构与等效电路图。

图1中，Uin为输入的正弦交流电压，LT和LR分别是两线圈的自感，RT和RR分别为两线圈的等效电阻，CT和CR分别是两线圈在高频下的分布式电容，IT和IR为两线圈中的电流，RL和M为负载和两线圈间的互感。URT表示发射线圈产生的交变磁场在接收线圈中产生的感应电动势，其值为jωMIT；UTR表示接收线圈产生的交变磁场在发射线圈中产生的感应电动势，其值为jωMIR。

图1 无线能量传输系统结构及其等效电路

利用KVL定律可以得到：

电磁耦合机构发射回路的输入功率Pin、负载电阻RL上的输出功率Pout及系统的效率η分别为：

当发射线圈和接收线圈同时发生自谐振，即电磁耦合机构通过谐振耦合进行能量传输时，其输出功率和传输效率最大。

2 发射线圈设计

2.1 结构设计

本文的发射线圈采用漆包线绕制的方案，适用于手机等小功率电子产品。3个发射线圈由3个正六边形的小线圈排列而成，每一个线圈的每一层都采用并联的方式将线圈与谐振电容相连。线圈内部采用继电器控制各个线圈的开关，每一层线圈上都有一个继电器，根据线圈调节发射模块的指令开启和关闭相应的线圈。3个小线圈之间也采用继电器相连接，在小线圈单独工作时，3个线圈间的继电器处于断开状态。线圈均采用六边形绕法，发射线圈结构如图2所示。

图2 六边型发射线圈结构图

图2中，六边形的边长为5 cm，通过LC谐振公式可以计算出这些线圈所需适配的外部谐振电容的值，仿真结构的参数如表1所示。

表1 线圈参数表

2.2 特性仿真

针对不同的接收情况，发射线圈的结构也是不同的，本文采用60 kHz高频电源分别对传输距离为1 cm下单线圈、双线圈及三线圈的情况进行了模型仿真及发射、接收线圈供电特性的仿真。

2．2．1 1个发射线圈供电特性

若接收设备置于一个发射线圈区域内，其仿真结果如图3所示，其中线圈的功率单位为W，线圈电流单位为A，线圈电压单位为V。

图3 单线圈供电模型及特性

2．2．2 2个发射线圈供电特性

若接收设备置于2个发射线圈区域，其仿真结果如图4所示。

图4 双线圈供电模型及特性

2．2．3 3个发射线圈供电特性

若接收设备置于3个发射线圈区域，其仿真结果如图5所示。图3—图5中，显然系统工作在60 kHz时，输出功率最大。

图5 三线圈供电模型及特性

3 系统设计

3.1 方案设计

本文设计一种基于单片机控制的自适应多接收无线桌面充电系统，主要由中央控制器模块、区域检测模块、线圈调节发射模块等构成，当有接收设备放置在无线充电面板上时，多接收无线桌面充电系统可以自动判断识别接收线圈在无线充电平面上的位置，系统通过自适应建立相对应的发射线圈结构进行供电，从而提高无线充电器的使用效率，避免能量的浪费。系统构成如图6所示。