一种电磁谐振式无线电能传输装置的研究与设计

湖北民族学院 谭必灯 何星瑭 陈坤燚

湖北民族学院科技学院 夷 健

1 引言

近年来，针对电磁谐振无线电能传输，国内外专家从理论和应用等多方面展开了研究，并取得了诸多有益的成果。文献[1]研究了电磁谐振式无线电能传输所能达到的最大效率，推导出了达到最大效率的条件；张波教授详细分析了系统传输效率与谐振频率、线圈自身参数和距离等参数之间的关系，同时得出在谐振耦合时线圈间能量传递效率达到最大的结论。

我们利用电磁谐振耦合原理设计了一套完整的无线电能传输装置，并就电磁谐振频率、负载阻抗和传输距离对无线电能传输效率的影响进行试验研究，我们设计的这套实验装置体积小，可在中远距离下通过频率自适应实现较高效率传输，操作简单，实用性强。

2 系统综述

本实验装置就是一套频率自适应的无线电能传输装置，实现了电能中远距离的无线传输，通过频率自适应可以自动调节谐振频率，达到效率传输的最优效果。该系统由前级升压稳压电路、自激振荡电路、电磁发射装置、电磁接收装置和整流电路构成。电能通过电磁谐振在系统中传输，在整个电能的传输过程中，磁场之间的耦合效率决定了电能的传输效率，同时也决定了电能的传输距离，最终形成一套基于电磁谐振的无线电能传输装置，实现电能中距离的高效率传输。电磁谐振式无线电能传输装置的系统结构图如图1所示：

图1 电磁谐振式无线电能传输装置结构图

3 硬件电路

系统硬件主要由前级升压稳压电路、自激振荡和电磁发射装置、电磁接收装置和整流电路这三个模块构成。

3.1 前级升压稳压电路

前级升压稳压电路模块采用TI公司生产的TPS40210芯片的典型升压稳压电路，将15V的直流电压提升到24V，这样便可以增大前级输入功率，有利于整个系统传输效率的提升。

3.2 自激振荡和电磁发射电路模块

该电路的主要功能就是将输入直流通过自激振荡转换成高频交流，将电能输送到电磁发射线圈，通过电磁谐振频率匹配，将电能高效率的传送到后级接收线圈。自激振荡和电磁发射电路模块的电路结构图如图2所示：

图2 自激振荡和电磁发射电路

自激振荡电路就是通过两个MOS管Q1和Q2交替开通关断，无需其他供电电路和驱动电路，即可让LC振荡。在MOS管Q1开通时，MOS管Q2关断，这时通过R1、R2、L1、D2、L3和Q1构成回路工作，形成高频交流的正半波；在MOS管Q2开通时，MOS管Q1关断，这时通过R3、R4、L2、D1、L3和Q2构成回路工作，形成高频交流的负半波。由于R1和R3、R2和R4、L1和L2数值相等，MOS管Q1和Q2、二极管D1和D2型号特性完全相同，相当于构成了两个对称电路，这时两个MOS管交替工作产生高频交流半波的周期相同，二者结合构成完整的高频正弦波，这就是最终形成的高频交流电，再通过电磁发射线圈将电能发射给后级接收线圈。最终的电磁谐振频率利用公式即可求得。

3.3 电磁接收和整流电路模块

二次接收线圈与电容并联构成谐振电路，在距接收线圈一端3/4处引出一抽头，将该抽头与接收线圈一端连接到整流电路，经过整流桥整流后的直流再通过电容C2滤波，得到质量较高的直流供给直流负载。电磁接收和整流电路如图3所示：

图3 电磁接收和整流电路

图3 中的四个整流二极管构成单相桥式全波整流，采用单相桥式全波整流的直流输出电压比半波整流的要高、输出电压脉动程度小。这四个整流二极管均采用RHRG30120快恢复二极管，在谐振频率较高的情况下，使用快恢复二极管可以极大的降低开关损耗，增大传输效率，并且RHRG30120快恢复二极管耐压值高，其反向恢复时间特别短，满足高频设计要求。

综合单相桥式全波整流电路后滤波电容的整定分析，以及在整个实验过程中对负载RL和输出电压的考虑，最终滤波电容采用耐压值为50V、大小为4700 的电解电容，滤除经整流电路出来的直流所带的低次谐波，得到纹波较小的直流提供给负载。

4 实验测试

4.1 带负载测试实验（一）

输入直流电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，自适应频率为60KHz，改变可调负载阻值大小，记录输出电压与输出电流，计算电能传递效率。带负载测试实验（一）数据如表1所示：

表1 带负载测试实验（一）数据

由带负载测试实验（一）分析可得：输入直流电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，自适应频率为60KHz，改变可调负载阻值大小，当负载为60Ω时，电能传输效率达到最大为44.43%；随着负载阻值的增大，输入电流逐渐增大，输出电压逐渐增大，输出电流逐渐减小，电能传输效率先增大再减小。

4.2 带负载测试实验（二）

输入直流电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，自适应频率为80KHz，改变可调负载阻值大小，记录输出电压与输出电流，计算电能传递效率。带负载测试实验（二）数据如表2所示：

表2 带负载测试实验（二）数据

由带负载测试实验（二）分析可得：输入直流电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，自适应频率为80KHz，改变可调负载阻值大小，当负载为50Ω时，电能传输效率达到最大为51%；随着负载阻值的增大，输入电流逐渐增大，输出电压逐渐增大，输出电流逐渐减小，电能传输效率先增大再减小。

4.3 可变距离测试实验（一）

输入直流电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，自适应频率为60KHz，改变发射线圈与接收线圈的距离，记录输出电压与输出电流，计算电能传递效率。

可变距离测试实验（一）数据记录在表3中，如表3所示：

表3 可变距离测试实验（一）数据

由可变距离测试实验（一）分析可得：输入直流电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，自适应频率为60KHz条件下，随着发射线圈与接收线圈距离增大，输入电流逐渐减小，输出电压逐渐减小，输出电流逐渐减小，电能传输效率逐渐减小。

4.4 可变距离测试实验（二）

输入直流电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，自适应频率为80KHz，改变发射线圈与接收线圈的距离，记录输出电压与输出电流，计算电能传递效率。可变距离测试实验（二）数据记录在表4中，如表4所示：

表4 可变距离测试实验（二）数据

由可变距离测试实验（二）分析可得：输入直流电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，自适应频率为80KHz条件下，随着发射线圈与接收线圈距离增大，输入电流逐渐减小，输出电压逐渐减小，输出电流逐渐减小，电能传输效率逐渐减小。

4.5 带负载测试实验对比数据分析

由表1和图2可得：输入直流电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，在相同的可调负载阻值的条件下，自适应频率为80KHz的电能传递效率明显高于自适应频率为60KHz的电能传递效率；自适应频率为80KHz，达到最大效率后，效率减小幅度比自适应频率为60KHz情况小；输入电压为恒定值15V，发射线圈与接收线圈距离为恒定值10cm，在不同自适应频率下，该测试装置达到最大电能传递效率时，输出电流都在0.5A附近。

4.6 可变距离测试实验对比数据分析

由表3和图4可得：输入电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，发射线圈与接收线圈距离相同时，自适应频率为80KHz的电能传递效率明显高于自适应频率为60KHz的电能传递效率；输入电压为恒定值15V，可调负载阻值大小恒定为36Ω，发射线圈与接收线圈距离相同时，输出电压不同，但输出电流值大小相近。

5 结论

利用电磁谐振耦合原理构建的无线电能传输装置,应用控制变量法研究了系统各个参数对电能传输效率的影响。测试实验表明，电磁谐振无线电能传输系统的传输效率与电磁自适应频率、线圈间距离以及负载电阻大小有紧密关系。（1）增大系统电磁自适应频率可以提高电能传输效率；（2）线圈间距离对电能传输效率影响较大，当距离增大时，效率下降明显；（3）测试实验表明通过增大系统电磁自适应频率可以进行补偿，但这种补偿作用随着自适应频率的升高而逐渐减弱。负载电阻对电能传输效率也有一定的影响，负载电阻增加会使效率提高，但负载增加到一定值后，传输效率会随着负载电阻值的增大而下降。

[1]傅文珍,张波,丘东元,等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析和设计[J].中国电机工程学报,2009,29(18):21-26.

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