《电子技术应用》

磁耦合谐振式无线电能传输装置设计

2015年微型机与应用第2期 作者:李婉婉,李 宏
2015/12/16 19:08:00

  摘  要: 介绍了一种以电感电容并联谐振(以下简称LC并联谐振)电路为核心的磁耦合谐振式无线电能传输装置的设计并对装置进行了测试及结果分析。装置由发射和接收两部分构成,发射部分由LC并联谐振回路和驱动电路组成;接收部分将线圈电磁感应产生的正弦波经过整流和滤波后输出直流电压。测试结果为:当两线圈间距为10 cm时能够达到34%的最大传输效率;当输入回路电流不大于1 A且保证负载LED灯不灭时,两线圈最大间距为52 cm。

  关键词: 无线电能传输;磁耦合;并联谐振;传输效率

0 引言

  无线电能传输技术曾被美国《技术评论》杂志评定为未来十大科研方向之一[1],其发展受到了国际社会的广泛关注。无线电能传输技术主要分为三类[2]:电磁感应式无线电能传输技术、基于微波的无线电能传输技术和耦合谐振式无线电能传输技术。2006年MIT研究小组在美国AIP论坛上提出基于强耦合理论的磁耦合谐振式无线电能传输技术,并于2007年通过实验进行了验证,以40%的传输效率成功点亮了2 m以外的60 W灯泡[3]。该技术具有传输效率高、距离远、传输功率大等优点,为中程无线电能传输的研究开辟了一个新的方向。

  目前多数无线电能传输装置是基于LC串联谐振的耦合模型,但在实际系统中发射端往往采用并联谐振电容的连接方式,这种方式只得到了部分学者的初步研究。本文介绍一种以LC并联谐振回路为核心的磁耦合谐振式无线电能传输装置的设计,并对该装置进行了测试,测试结果能够满足设计要求。

1 系统总体设计

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  磁耦合谐振式无线电能传输装置电路设计的示意图如图1所示,系统主要由发射端线圈谐振回路和接收端线圈谐振回路组成。发射端包括发射端谐振线圈及与其并联的电容构成谐振回路,驱动电路提供大电流;接收端包括接收端谐振线圈及与其并联的电容构成谐振回路,以及消耗能量的负载。

2 单元电路分析与设计

  2.1 LC并联谐振模型分析

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  根据磁耦合谐振式无线电能传输技术的相关理论[4],传输系统的谐振耦合电路模型如图2所示。其中Uin为高频发射源输入电压有效值,R1、R2分别为两谐振线圈在高频下的寄生电阻,L1、L2分别为谐振电感,C1、C2分别为谐振电容,RL为负载电阻,M为两线圈之间的互感,D为两线圈之间的距离。

  设传输系统的谐振角频率为?棕,发射端线圈电流有效值为I1,接收端线圈电流有效值为I2,负载电流有效值为IL。经计算,当发射端、接收端两线圈均处于自谐振状态时,有:

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  Q为线圈的品质因数,可以明显看出线圈的品质因数越高,系统的效率越大。提高系统输入电压Uin、谐振频率f、互感M能有效提高系统输出功率。但在实际应用中,输入电压和谐振频率还要受到器件的限制。当采用开关电路产生高频驱动信号时,输入电压有效值与驱动信号占空比有关。由式(3)可知,系统的传输效率主要取决于互感M和线圈的品质因数Q。线圈互感系数计算公式为:

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  其中,u0为真空磁导率,n为线圈匝数,r为线圈半径,D为线圈间距。因此,在输入直流电压和线圈参数(包括线圈半径、线径、匝数)确定时,可以把系统负载功率和传输效率的影响因子简化为三个部分:系统谐振频率、驱动信号占空比和线圈间距。

  2.2 驱动电路设计

  首先信号源设计以FPGA为核心,FPGA具有速度快、精度高的特点。Verilog语言编写程序产生PWM波,并通过按键对PWM波的频率和占空比进行步进调整。但由于信号源产生的PWM波电压较小,不足以驱动MOS管,因此发射部分需要设计驱动电路使LC并联谐振。本设计采用专用的驱动芯片IR2110作为MOS管IRF3710的驱动芯片。驱动电路如图3所示。其优点是速度快,电路稳定,放大效果好,外围电路设计简单,使用方便。

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  2.3 稳压电路

  采用LM2576开关型降压稳压芯片构成稳压电路,电路连接如图4所示。可以将输入的15 V电压稳定在5 V输出,用于为FPGA供电。

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  2.4 整流滤波电路

  单相桥式整流电路由肖特基二极管组成,正向压降低,适合速度高的电路。

  电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路,如图5所示。滤波电容容量较大,因而一般采用电解电容。电容滤波电路利用电容的充放电作用,使输出电压趋于平滑。

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3 测试方案及结果分析

  3.1 测试仪器

  系统测试所用仪器如表1所示。

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  3.2 数据测试

  (1)线圈直径20 cm,保持发射线圈与接收线圈间距离x=10 cm,通过调节可变电阻器使接收端输出直流电流近似为0.5 A,用数字万用表测输出直流电压U2,保证U2≥8 V,将高精度数字万用表串在发射端电路中,测出输入电流I1,即可计算出该无线电能传输装置的效率(U1为输入端电压,I2为输出电流);调节PWM占空比,谐振频率,使η值尽可能大。

  用示波器接发射线圈的感应电压测试端口,数字万用表测量输入和输出电压,台式数字万用表测量输入和输出电流,结果如表2所示。

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  结论:在两线圈间距为10 cm时,效率最高可以达到34.2%。

  (2)输入直流电压U1=15 V,输入直流电流不大于1 A,接收端负载为2只串联LED灯(白色、1 W)。在保持LED灯不灭的条件下,测量发射线圈与接收线圈间最大距离。

  测试结果及分析:将接收线圈拉远,此时调节PWM波的频率和占空比,当频率为74.85 kHz时,电流为0.978 3 A,此时LED灯刚好能亮,两线圈间距最大为52 cm。

  也可以接入中继线圈,中继线圈也是LC并联谐振回路,并且谐振频率和发射、接收回路相同。适当调节中继线圈在发射和接收线圈之间的距离,使得LED刚好亮,此时发射和接收线圈的间距最大为58 cm。

4 结论

  本设计装置由发射部分和接收部分构成。驱动电路的信号源以FPGA为核心器件产生PWM波;由IR2110芯片将TTL电平放大驱动MOS管,实现DC到AC转换。接收部分将接收线圈感应产生的正弦波经过单相桥式整流和滤波电路实现AC到DC的转换。装置整体由15 V外接电源供电,采用稳压电路提供5 V的FPGA电源电压。经过实验测试,线圈距离为10 cm时能够达到的最大效率为34%;当输入电流不大于1 A且保证LED灯不灭时,两线圈距离最大为52 cm,通过中间串插LC并联回路(中继线圈)将距离增大至58 cm。装置能够较好地达到设计要求,与理论分析相一致。

参考文献

  [1] 张茂春,王进华,石亚伟.无线电能传输技术综述[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2009,26(4):485-488.

  [2] 王学通,冀文峰,薛卧龙.耦合谐振无线电力传输谐振频率跟随设计[J].微型机与应用,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] 任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.


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