摘  要： 介紹了一種以電感電容并聯諧振（以下簡稱LC并聯諧振）電路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設計并對裝置進行了測試及結果分析。裝置由發(fā)射和接收兩部分構成，發(fā)射部分由LC并聯諧振回路和驅動電路組成；接收部分將線圈電磁感應產生的正弦波經過整流和濾波后輸出直流電壓。測試結果為：當兩線圈間距為10 cm時能夠達到34％的最大傳輸效率；當輸入回路電流不大于1 A且保證負載LED燈不滅時，兩線圈最大間距為52 cm。

　　關鍵詞： 無線電能傳輸；磁耦合；并聯諧振；傳輸效率

0 引言

　　無線電能傳輸技術曾被美國《技術評論》雜志評定為未來十大科研方向之一[1]，其發(fā)展受到了國際社會的廣泛關注。無線電能傳輸技術主要分為三類[2]：電磁感應式無線電能傳輸技術、基于微波的無線電能傳輸技術和耦合諧振式無線電能傳輸技術。2006年MIT研究小組在美國AIP論壇上提出基于強耦合理論的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，并于2007年通過實驗進行了驗證，以40%的傳輸效率成功點亮了2 m以外的60 W燈泡[3]。該技術具有傳輸效率高、距離遠、傳輸功率大等優(yōu)點，為中程無線電能傳輸的研究開辟了一個新的方向。

　　目前多數無線電能傳輸裝置是基于LC串聯諧振的耦合模型，但在實際系統(tǒng)中發(fā)射端往往采用并聯諧振電容的連接方式，這種方式只得到了部分學者的初步研究。本文介紹一種以LC并聯諧振回路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設計，并對該裝置進行了測試，測試結果能夠滿足設計要求。

1 系統(tǒng)總體設計

　　磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置電路設計的示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由發(fā)射端線圈諧振回路和接收端線圈諧振回路組成。發(fā)射端包括發(fā)射端諧振線圈及與其并聯的電容構成諧振回路，驅動電路提供大電流；接收端包括接收端諧振線圈及與其并聯的電容構成諧振回路，以及消耗能量的負載。

2 單元電路分析與設計

　　2.1 LC并聯諧振模型分析

　　根據磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的相關理論[4]，傳輸系統(tǒng)的諧振耦合電路模型如圖2所示。其中Uin為高頻發(fā)射源輸入電壓有效值，R1、R2分別為兩諧振線圈在高頻下的寄生電阻，L1、L2分別為諧振電感，C1、C2分別為諧振電容，RL為負載電阻，M為兩線圈之間的互感，D為兩線圈之間的距離。

　　設傳輸系統(tǒng)的諧振角頻率為?棕，發(fā)射端線圈電流有效值為I1，接收端線圈電流有效值為I2，負載電流有效值為IL。經計算，當發(fā)射端、接收端兩線圈均處于自諧振狀態(tài)時，有：

　　Q為線圈的品質因數，可以明顯看出線圈的品質因數越高，系統(tǒng)的效率越大。提高系統(tǒng)輸入電壓Uin、諧振頻率f、互感M能有效提高系統(tǒng)輸出功率。但在實際應用中，輸入電壓和諧振頻率還要受到器件的限制。當采用開關電路產生高頻驅動信號時，輸入電壓有效值與驅動信號占空比有關。由式（3）可知，系統(tǒng)的傳輸效率主要取決于互感M和線圈的品質因數Q。線圈互感系數計算公式為：

　　其中，u0為真空磁導率，n為線圈匝數，r為線圈半徑，D為線圈間距。因此，在輸入直流電壓和線圈參數（包括線圈半徑、線徑、匝數）確定時，可以把系統(tǒng)負載功率和傳輸效率的影響因子簡化為三個部分：系統(tǒng)諧振頻率、驅動信號占空比和線圈間距。

　　2.2 驅動電路設計

　　首先信號源設計以FPGA為核心，FPGA具有速度快、精度高的特點。Verilog語言編寫程序產生PWM波，并通過按鍵對PWM波的頻率和占空比進行步進調整。但由于信號源產生的PWM波電壓較小，不足以驅動MOS管，因此發(fā)射部分需要設計驅動電路使LC并聯諧振。本設計采用專用的驅動芯片IR2110作為MOS管IRF3710的驅動芯片。驅動電路如圖3所示。其優(yōu)點是速度快，電路穩(wěn)定，放大效果好，外圍電路設計簡單，使用方便。

　　2.3 穩(wěn)壓電路

　　采用LM2576開關型降壓穩(wěn)壓芯片構成穩(wěn)壓電路，電路連接如圖4所示?？梢詫⑤斎氲?5 V電壓穩(wěn)定在5 V輸出，用于為FPGA供電。

　　2.4 整流濾波電路

　　單相橋式整流電路由肖特基二極管組成，正向壓降低，適合速度高的電路。

　　電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯一個電容即構成電容濾波電路，如圖5所示。濾波電容容量較大，因而一般采用電解電容。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。

3 測試方案及結果分析

　　3.1 測試儀器

　　系統(tǒng)測試所用儀器如表1所示。

　　3.2 數據測試

　?。?）線圈直徑20 cm，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x=10 cm，通過調節(jié)可變電阻器使接收端輸出直流電流近似為0.5 A，用數字萬用表測輸出直流電壓U2，保證U2≥8 V，將高精度數字萬用表串在發(fā)射端電路中，測出輸入電流I1，即可計算出該無線電能傳輸裝置的效率（U1為輸入端電壓，I2為輸出電流）；調節(jié)PWM占空比，諧振頻率，使η值盡可能大。

　　用示波器接發(fā)射線圈的感應電壓測試端口，數字萬用表測量輸入和輸出電壓，臺式數字萬用表測量輸入和輸出電流，結果如表2所示。

　　結論：在兩線圈間距為10 cm時，效率最高可以達到34.2%。

　?。?）輸入直流電壓U1=15 V，輸入直流電流不大于1 A，接收端負載為2只串聯LED燈（白色、1 W）。在保持LED燈不滅的條件下，測量發(fā)射線圈與接收線圈間最大距離。

　　測試結果及分析：將接收線圈拉遠，此時調節(jié)PWM波的頻率和占空比，當頻率為74.85 kHz時，電流為0.978 3 A，此時LED燈剛好能亮，兩線圈間距最大為52 cm。

　　也可以接入中繼線圈，中繼線圈也是LC并聯諧振回路，并且諧振頻率和發(fā)射、接收回路相同。適當調節(jié)中繼線圈在發(fā)射和接收線圈之間的距離，使得LED剛好亮，此時發(fā)射和接收線圈的間距最大為58 cm。

4 結論

　　本設計裝置由發(fā)射部分和接收部分構成。驅動電路的信號源以FPGA為核心器件產生PWM波；由IR2110芯片將TTL電平放大驅動MOS管，實現DC到AC轉換。接收部分將接收線圈感應產生的正弦波經過單相橋式整流和濾波電路實現AC到DC的轉換。裝置整體由15 V外接電源供電，采用穩(wěn)壓電路提供5 V的FPGA電源電壓。經過實驗測試，線圈距離為10 cm時能夠達到的最大效率為34％；當輸入電流不大于1 A且保證LED燈不滅時，兩線圈距離最大為52 cm，通過中間串插LC并聯回路（中繼線圈）將距離增大至58 cm。裝置能夠較好地達到設計要求，與理論分析相一致。

參考文獻

　　[1] 張茂春，王進華，石亞偉.無線電能傳輸技術綜述[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2009，26（4）：485-488.

　　[2] 王學通，冀文峰，薛臥龍.耦合諧振無線電力傳輸諧振頻率跟隨設計[J].微型機與應用，2013，32（8）：58-60.

　　[3] KURS A， KARALIS A， MOFFATT R， et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science， 2007， 317（6）：83-86.

　　[4] 任立濤.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.