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磁耦合諧振式電能無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
摘 要：電能無線傳輸技術(shù)不依賴于有線的傳輸媒介進(jìn)行供電，對(duì)于有線供電不便的特殊環(huán)境有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文以CD4060和L6384D高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片為核心，設(shè)計(jì)并搭建了無線電能傳輸?shù)腟SSP型實(shí)驗(yàn)電路。通過實(shí)驗(yàn)，分析了無線電能傳輸效率與傳輸距離、負(fù)載電阻之間的關(guān)系，為今后無線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)研究提供參考，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：四線圈結(jié)構(gòu)的SSSP型無線電能傳輸裝置傳輸效率并不像其他類型傳輸裝置那樣隨距離的增加而減小，而是隨著傳輸距離的增加成倒“V”字形變化。
關(guān)鍵詞：電能無線傳輸 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 傳輸效率 磁耦合諧振
傳統(tǒng)的電能傳輸通過有線方式進(jìn)行，該方式會(huì)產(chǎn)生線路老化、尖端放電嚴(yán)重等不可避免的問題，這對(duì)用電設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的挑戰(zhàn)。一方面，在一些特殊場(chǎng)合，如礦井、水下、加油站等，傳統(tǒng)電纜線會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失;另一方面，生活中使用的大量用電設(shè)備需電源線，勢(shì)必會(huì)帶來電線交叉繁雜的不便。
無線電能傳輸技術(shù)(WPT)，又稱無接觸能量傳輸(Contactless Power Transmission，CPT)技術(shù)，顧名思義，即以非接觸的無線方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。早在1890年，由著名電氣工程師尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla) 提出，因而有人稱他為無線電能傳輸之父;2007年6月麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無線電力傳輸，他們通過電磁感應(yīng)利用磁耦合共振原理成功地點(diǎn)亮了離電源2m多遠(yuǎn)處的一個(gè)60w燈泡。
迄今為止，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸技術(shù)的方式主要有電磁感應(yīng)式、核磁共振式、輻射式等三種方式如圖1所示。
一、磁耦合諧振的工作原理
磁耦合諧振式無線輸電是非接觸式無線能量傳輸方式的其中一種，該方式的特別之處在于共振環(huán)節(jié)中的兩個(gè)共振線圈會(huì)發(fā)生高頻自激振蕩，使線圈的回路阻抗為最小值，從而使大部分能量在諧振的路徑上傳遞。
一個(gè)完整的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)如圖2所示，除兩個(gè)發(fā)生自激振蕩的開路線圈外，還必須有帶有發(fā)射線圈的高頻發(fā)射功率源和帶有接收線圈的接收功率設(shè)備。
圖2中，高頻振蕩電路用于控制諧振頻率;由于振蕩電路的驅(qū)動(dòng)能力很弱，需要用高頻功率放大電路驅(qū)動(dòng)后面用于電磁交換的空心線圈 ;空心線圈 能將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，并將其感應(yīng)到與他相鄰的發(fā)射線圈 上;高頻共振環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)能量無線傳遞的發(fā)射線圈 和接收線圈 。電阻用于測(cè)量電流;負(fù)載回路中的將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能。為了減少接收線圈 自激振頻率受到負(fù)載回路電抗的影響， 的感抗應(yīng)該盡量小，負(fù)載回路可認(rèn)為是純電阻回路，它反射到線圈 的阻抗即為純電阻，單匝線圈 從線圈 上感應(yīng)到的能量給負(fù)載 供電，從而完成整個(gè)能量的無線傳輸。
1、磁耦合諧振無線電能傳輸基本諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)通常需要對(duì)發(fā)射端和接收端繞線電感進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)發(fā)射端補(bǔ)償環(huán)節(jié)接收端補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的不同，可分PSSS，PSSP，SSSS，SSSP這4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中， (Parallel)代表并聯(lián)型補(bǔ)償， (series)代表串聯(lián)型補(bǔ)償。圖中， 為電壓型磁共振電能傳輸系統(tǒng)經(jīng)過高頻逆變電路之后的等效電壓源; 為電流型磁共振電能傳輸，系統(tǒng)經(jīng)過高頻逆變電路之后的等效電流源; 、 分別為共振線圈1和共振線圈2的電感; 分別為發(fā)射端和接收端電感 的補(bǔ)償電容; 分別為發(fā)射端和接收端的等效串聯(lián)電阻; 分別為共振線圈1，2的等效串聯(lián)電阻; 為負(fù)載; 為接收端到共振線圈2的反射阻抗; 為共振線圈2到共振線圈1的反射阻抗; 為共振線圈1 到發(fā)射端的反射阻抗; 為發(fā)射端和共振線圈1之間的互感系數(shù); 為兩共振線圈之間的互感系數(shù); 為共振線圈2和接收端之間的互感系數(shù)。
諧振電容實(shí)際是通過多個(gè)電容并聯(lián)達(dá)到所要用到的值，由于每個(gè)電容電感都不是完全相同，所以最終計(jì)算出來的諧振頻率也并不一致，但基本保持256KHz。實(shí)驗(yàn)中各個(gè)主要元件的相關(guān)參數(shù)如表1所示。
發(fā)射模塊原理如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用15V直流電源供電，晶振電路產(chǎn)生8.192MHz頻率方波信號(hào)，通過CD4060芯片5分頻后產(chǎn)生256KHz的頻率脈沖，由于該脈沖的驅(qū)動(dòng)能力弱，這里采用了L6384D高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片產(chǎn)生的兩個(gè)獨(dú)立電位，分別控制功率場(chǎng)效應(yīng)管工作來產(chǎn)生交變信號(hào)，通過串聯(lián)諧振電路發(fā)射能量。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，利用晶振電路產(chǎn)生256KHz的高頻信號(hào)，采用15V直流電源供給發(fā)射模塊(5)，通過高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在發(fā)射線圈(1)上具有一定功率的正弦電磁波，經(jīng)過共振線圈(2)將能量傳遞到共振線圈(3)上，接收線圈(4)接收共振線圈(3)上的能量，經(jīng)過接收模塊(6)供給負(fù)載(7)使用。這里的4個(gè)線圈直徑均為20cm，共振線圈(3)由細(xì)銅線繞制而成，其他3個(gè)由粗銅線繞制而成。
二、實(shí)驗(yàn)與分析
為保持4個(gè)線圈都在通一條直線上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上貼了黑膠帶，另用黑膠帶對(duì)線圈進(jìn)行固定，防止因線圈的晃動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生干擾。發(fā)射線圈(1)共振線圈(2)之間的距離和共振線圈(3)接收線圈(4)均保持在D=10cm，共振線圈(2)和共振線圈(3)之間的距離記為S，當(dāng)負(fù)載阻值R為10Ω時(shí)，從S=5cm開始實(shí)驗(yàn)，每隔5cm測(cè)一組數(shù)據(jù)，總共測(cè)6組。同理對(duì)負(fù)載阻值R為20Ω、30Ω時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
通過信號(hào)發(fā)生器直接讀出供給的電流值和電壓值，用萬用表測(cè)量出流過負(fù)載的電流和負(fù)載兩端的電壓。利用公式分別求裝置的出輸入功率和輸出功率，利用公式求出裝置的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表2、表3和表4。
從以上實(shí)驗(yàn)得出：負(fù)載R相同的條件下，隨著距離S的增加，傳輸效率先增大后迅速減小;距離較近時(shí)，傳輸效率處在一個(gè)比較高的水平上;距離較遠(yuǎn)時(shí)，傳輸效率很低，基本處于難以有效利用狀態(tài)。距離S相同的條件下，隨著負(fù)載R的增加，傳輸效率也會(huì)有增加，但后期效果不明顯。
三、結(jié)語
采用四線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振無線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)，相比兩線圈結(jié)構(gòu)，很大程度的隔離了電源和負(fù)載對(duì)諧振線圈的影響，傳輸距離和傳輸效率也有了進(jìn)一步的提升。目前，磁耦合諧振式無線電能傳輸正在得到更多、更深入的研究，裝置的傳輸距離、傳輸效率和裝置小型化等方面還有待解決，相信不遠(yuǎn)的將來，利用磁耦合諧振式無線傳輸技術(shù)的產(chǎn)品會(huì)逐漸普及。
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