一种并联谐振无线传能装置的设计

徐广广 刘艺柱 付士淼 孙浩元

基金项目：天津市科技计划项目；项目名称：无人驾驶搬运车（AGV小车）科普资源包的设计与开发；项目编号：22KPXMRC00030。天津市市级大学生创新创业训练计划项目；项目名称：提升电子天平测量精度的研究；项目编号：202212105009。

作者简介：徐广广（2001— ），男，江西丰城人，本科生；研究方向：无线传能技术应用。

*通信作者：刘艺柱（1975— ），男，山西临汾人，副教授，硕士；研究方向：自动化技术应用。

摘要：磁耦合谐振式无线传能传輸技术是一种能够实现中等距离高效率能量传输的技术，具有良好的隔离性能，然而现阶段研究依然存在传输效率低、性能不稳定的现象。文章介绍了一种采用RLC并联谐振实现的磁耦合谐振式无线传能装置。该设计采用环形振荡电路产生高频信号、高速TTL反相器对振荡电路输出的波形整形，并通过MOS管对输入的方波信号进行放大，采用自制线圈可以实现RLC谐振，从而进行信号传输，实验结果表明，系统无线传能效率较高，可达到55%。文章设计的无线传能装置系统结构简单、成本低、易于实现，且性能可靠，在小型无线用电设备中具有很好的应用前景。

关键词：RLC并联谐振；磁耦合谐振；无线传输；环形振荡；高频信号；自制线圈

中图分类号：TN710 文献标志码： A

0 引言

近年来，无线电能传输技术的应用技术逐渐推广，目前常用电磁感应式或磁耦合谐振式两种传输方式进行无线电能传输。其中磁耦合谐振式能量传输能够实现中距离、大功率的能量传输，安全系数高，灵活性高［1-2］，因此磁耦合谐振无线电能传输技术成为该领域的研究热点，许多国内外学者在该领域进行了研究，在很多领域均有广泛的应用前景［3-4］。目前电动汽车无线充电、移动设备充电、植入人体心脏起搏器电池充电等装置都已使用电磁感应耦合方式的无线电能传输技术［5-6］。

电磁耦合谐振式无线电能传输的基本原理，是在一定距离范围内，利用两个相同谐振频率的电磁系统，通过电磁耦合谐振，使电能在两线圈间不通过导线进行无线传输，利用耦合线圈以及与线圈相连接的电容器，从而构成谐振电路，实现电能的无线传输［7-8］。现阶段人们对于电磁耦合的无线传能技术的理论研究已逐渐成熟，然而依然存在传输效率低、传输距离近、性能不稳定等问题，通过优化无线传能电路，研究出一套传输性能好、性能稳定、结构简单的电路具有重要意义［9］ 。

本系统设计采用磁耦合谐振式无线电能传输系统。研究发现如果传输效率同等情况下，使用四线圈可以更好地实现阻抗匹配［10-11］。因此，系统中实际使用四线圈进行耦合。

1 电路系统整体设计

本无线传能系统结构如图1所示，整个无线能量传输系统由以下几部分组成：高频正弦信号发生和功率放大电路、发射线圈和谐振初级线圈、谐振次级线圈、接收线圈以及整流电路和负载。其中发射线圈与功率放大电路相连接，接收线圈与整流电路相连接，电路系统的核心部件是两个谐振线圈，谐振线圈是否发生谐振决定电路的传输效率。

2 RLC并联谐振原理分析

本设计方案采用RLC并联谐振方式实现无线传能，RLC并联电路原理如图2所示，电感线圈用R和L串联组合表示，电感线圈的阻抗为R，感量为L，感抗为XL；电感线圈与电容器C并联，构成了RLC并联电路，电容的容量为C，容抗为XC。电路工作电压为U·，频率为f，流过线圈支路的电流为IRL·，流过电容支路的电流为IC·。

电路中电压U与电流I的相位关系如图3所示，可以看出，并联电容后电流、电压之间的相位角从ΦRL减小到。=0时，即电压与电流同相位，此时电路发生谐振，简称并联谐振。电容支路电流完全抵消了RL串联支路电流的无功分量，电路的总电流为RL串联支路电流的有功分量［12］。

由相量图可得：

3 系统电路设计

3.1 振荡电路及信号整形电路

系统电路设计原理如图4所示。本设计方案中采用环形振荡电路实现高频振荡，用U1（CD4069）中的3个非门组成一个可调频率的环形振荡电路。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的，振荡频率可通过滑动变阻器R1的阻值调节，这种振荡电路输出为矩形方波。

由于方波输出的振荡信号电压最大振幅为0～5 V，为充分驱动电源开关电路，使用U1中的另外3个非门反相器对振荡电路输出的波形整形，并提高输出端的驱动能力。

3.2 功率驱动电路

MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。常用的小功率驱动电路为不隔离的互补驱动电路，简单可靠成本低，适用于不要求隔离的小功率开关设备。因此本设计中以三极管Q1和Q2构成的乙类推挽电路驱动MOS管Q3，对输入的方波信号进一步放大。

3.3 线圈设计

电磁谐振无线传能系统性能会受线圈的各项参数影响，因此设计合适的线圈参数对无线传输系统的性能是至关重要的［13］。对于磁耦合谐振式用到的线圈主要有螺线管式和平面螺旋式两种，螺线管式结构线圈产生的磁场均匀且方向性好，同时产生的距离远和效率高。而平面螺旋线圈使得线圈厚度很薄，非常适宜体积较小的用电设备，可以使得整个系统趋于微型化，其不足之处在于，该线圈对发射与接收线圈的位置有非常严格的要求，两线圈的中心一旦偏离，会使能量传输效率急剧下降。

本设计方案中发射和接收线圈L1、L2均采用平面螺旋式绕法，线径1mm，线圈内径75mm，匝数4匝，根据Harold A. Wheeler近似公式：

式（6）～（7）中，Di是线圈内径，N是线圈匝数，ω是线圈线径，s是匝间距离，计算求得线圈电感值为2.73 μH。

3.4 接收回路及負载

能量接收回路由接收线圈、整流电路、负载等部分组成，整流桥堆D1将接收的交流能量转换为直流能量驱动负载，负载R5选用1 W的LED。

4 实验测试与结果

4.1 实验测试

为了保证谐振无线传能装置高效工作，首先要保证发射和接收线圈L1、L2与所匹配的电容具有相同的谐振频率。由于电感、电容制造过程中，每一个都存在着与标称值之间的误差，因此对线圈L1、L2并联的电容在前面理论计算的基础上进行实验，对电容参数进行微调整，确保它们具有相同的谐振频率。实验过程中，调整输入频率f，测试短路电流、开路电压以及输入电压、电流，计算得到表1所示数据。

从表1可以看出，当输入信号频率高于或者低于谐振频率时，RLC并联谐振电路失谐，阻抗迅速减小，信号电流明显增大。由于RXL，ΦRL≈90°，I1·≈-I·C，I1≈ICI，I≈0，因此，并联谐振时电路的阻抗模|Z0|较大，电流也就较小；从表1可以看出在频率为3 MHz时，电路为谐振状态，输入电流为45.3 mA，电流为最小值，与理论相符。同时此时得到最大的传输效率为55%，如图5所示。

4.2 实验结果

把调试好的线圈组装入无线传能装置，观察负载LED的亮灭以及亮度的变化，间接地反映了谐振线圈调试是否一致。当输入信号的频率f为3.0 MHz，最接近电路的固有频率f0（2.8 MHz）时，电路发生并联谐振，此时电路的阻抗最大，且为纯阻性，LED最亮，能量传输效率也最高。

5 结语

本文设计了一种使用RLC并联谐振的无线充电系统，实验验证了系统设计的可行性。经过实验测试，实验结果表明此设计传输效率较高，最高效率可达约55 %。本系统采用环形振荡电路产生振荡信号，采用磁耦合式无线传输方式，其结构简单、成本低、传输效率较高，稳定性较好，具有很好的实用性。本设计的创新性在使用简单的电路实现无线传输功能，适用于大规模生产。在无线传能设备中，尤其是小型无线用电设备中等可以采用此类电路，未来市场前景较好。

参考文献

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［13］陈坤燚，李绍武，杨永超，等.电磁谐振无线能量传输系统参数研究［J］.湖北民族学院学报，2015（5）：62-66.

（编辑 李春燕）

Abstract： Magnetic coupling resonance wireless energy transmission technology is a technology that can realize medium distance and high-efficiency energy transmission， and has good isolation performance. However， the current research still has the phenomenon of low transmission efficiency and unstable performance. This paper introduces a magnetic coupling resonant wireless energy transmission device realized by RLC parallel resonance. The design uses a ring oscillation circuit to generate high-frequency signal， a high-speed TTL inverter to shape the output waveform of the oscillation circuit， and amplifies the input square wave signal through MOS tube. The RLC resonance can be realized by using a self-made coil for signal transmission. The experimental results show that， The wireless energy transmission efficiency of the system is high， which can reach 55%. The wireless energy transmission device has the advantages of simple structure， low cost， easy implementation and reliable performance. It has a good application prospect in small wireless electrical equipment.

Key words： RLC parallel resonance; magnetically coupled resonance; wireless transmission; ring oscillation; high frequency signal; self-made coil