楊 輝，鄔靜陽(yáng)，胡文山

（1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072；2.總裝工程兵裝備論證試驗(yàn)研究所，北京 100093）

隨著第二次工業(yè)革命開啟了人類電氣化時(shí)代，電能的應(yīng)用無(wú)處不在，目前電能主要采用有線方式進(jìn)行傳輸，這種傳輸方式存在諸如滑動(dòng)磨擦、接觸火花和不安全裸露導(dǎo)體等弊端。生活中出現(xiàn)的問(wèn)題，諸如家中過(guò)多的電線插座帶來(lái)的煩惱，以及如何對(duì)植入式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期供電等，使得電能的無(wú)線傳輸成為迫切需求。

現(xiàn)有無(wú)線能量傳輸技術(shù)主要可以分為以下3類[1]：電磁輻射技術(shù)、電磁感應(yīng)耦合技術(shù)、電磁耦合共振技術(shù)。磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，較感應(yīng)式和輻射式有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。共振式磁耦合可以在幾米的距離內(nèi)發(fā)生，而不需要增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，且理論上發(fā)射源可同時(shí)給多個(gè)在有效區(qū)域內(nèi)的接收裝置供電，而其它非此特定諧振頻率的系統(tǒng)則不易受影響。磁共振式傳輸將能量從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，就像是一個(gè)空間的短路，如同隧道效應(yīng)，能量從損耗最低的路徑傳輸，可大大提高傳輸效率。

在國(guó)外，2007年MIT研究小組使用2個(gè)直徑為60 cm的銅線圈，通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使2個(gè)線圈在10 MHz產(chǎn)生共振，成功點(diǎn)亮距離電力發(fā)射端 2 m以外的一盞60 W燈泡，效率在40%左右[2]。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)自2008年開始，對(duì)磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)做了很多基礎(chǔ)研究，文獻(xiàn)[3]中采用電路理論及電磁場(chǎng)理論對(duì)中頻諧振系統(tǒng)的電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析，得出了接收端電流最大的條件，實(shí)驗(yàn)采用集中參數(shù)元件構(gòu)成共振體，能在70 cm傳輸距離下實(shí)現(xiàn)23 W的能量傳輸。

本文從磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)工作原理著手，采用STC90C52AD單片機(jī)芯片作為主控芯片，對(duì)其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)際電路以驗(yàn)證此方案設(shè)計(jì)的可行性。

1 磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的工作原理

本文主要采用傳統(tǒng)的電路理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。一個(gè)完整的共振耦合系統(tǒng)，除了2個(gè)諧振線圈外還必須有發(fā)射功率源和接收功率設(shè)備。高頻信號(hào)發(fā)生器和高頻功率放大電路一起構(gòu)成了高頻功率源，即本文需要設(shè)計(jì)的高頻電源。相隔一定距離的2個(gè)空心線圈L1、L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈，C1和C2分別為大小相同的2個(gè)電容，配合2個(gè)空心線圈一起構(gòu)成諧振電路。M表示兩線圈間的相互耦合。當(dāng)兩線圈所在電路的諧振頻率十分接近時(shí)，兩線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)烈耦合產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。其電路模型如圖2所示。

圖1 磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.1 System sketch diagram of MCR-WPT

圖2 磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸電路模型Fig.2 Circuit model of MCR-WPT

根據(jù)圖2使用相量法，建立系統(tǒng)的頻域方程。令發(fā)射端線圈電流為Is，接收端線圈電流為Id，則：

據(jù)KVL定律得到：

式中：M 為線圈之間的互感。 由式（3）、式（4）聯(lián)立解出：

令發(fā)射端的輸入功率為Ps，接收端負(fù)載消耗功率為 Pd，則：

因此可以得出傳輸效率：

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射端的高頻信號(hào)發(fā)生電路、控制信號(hào)處理電路、功率放大電路、全橋逆變電路，以及接收端整流電路和發(fā)射端線圈、接收端線圈組成。采用STC90C52AD芯片作為主控芯片，此芯片為89系列單片機(jī)的升級(jí)版，抗干擾、低功耗性能更佳，且其內(nèi)置8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，降低硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度。通過(guò)90C52AD單片機(jī)控制高頻信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生所需高頻信號(hào)，輸入到控制信號(hào)處理電路，對(duì)其進(jìn)行隔離、整形，再經(jīng)過(guò)功率放大電路，進(jìn)行全橋逆變把高頻直流變成高頻交流電能，從而使原邊線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，作用于副邊線圈，副邊線圈電流再經(jīng)過(guò)整流電路得到所需直流。系統(tǒng)各環(huán)節(jié)關(guān)系圖如圖3所示。

2.2 高頻信號(hào)發(fā)生電路

無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的高頻電源的頻率應(yīng)該穩(wěn)定、可調(diào)、范圍廣、且簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。綜合以上要求，選用基于DDS的信號(hào)發(fā)生器方案。DDS采用全數(shù)字的頻率合成方法，采用其設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器具有極高的頻率分辨率和精確度，并具有頻率切換速度快、相位噪聲低、頻率切換時(shí)相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，能克服傳統(tǒng)模擬信號(hào)源的缺點(diǎn)和不足。

圖3 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)關(guān)系圖Fig.3 Section relation schema of system

DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。相位累加器的輸出即為波形存儲(chǔ)器的地址，通過(guò)改變相位增量即可以改變DDS的輸出頻率值。

圖4 DDS基本原理示意圖Fig.4 Basic principle sketch diagram of DDS

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用AD9850集成芯片的DDS模塊，采用5 V供電，125 MHz的參考晶振源，AD9850擁有32位相位控制字，可以實(shí)現(xiàn)0.0291 Hz的步進(jìn)調(diào)頻，最高輸出頻率可達(dá)62.5 MHz[4]，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且其頻率輸出相當(dāng)穩(wěn)定，將上述正弦波輸入AD9850內(nèi)部集成比較器即可得到實(shí)驗(yàn)所需的方波。方波的頻率可由90C52AD單片機(jī)配合按鍵進(jìn)行控制。

2.3 控制信號(hào)處理電路

控制信號(hào)處理電路主要實(shí)現(xiàn)隔離、整形、差分功能，方波信號(hào)首先通過(guò)光耦合器，以隔離后面的高壓逆變電路對(duì)前面信號(hào)發(fā)生電路的沖擊和干擾，同時(shí)也起到一定的整形作用。由于輸入為單路方波信號(hào)，而全橋逆變需要2對(duì)反相互補(bǔ)的控制信號(hào)。因此本設(shè)計(jì)采用常用于通信中單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)的SN75174芯片進(jìn)行雙路差分處理得到4路輸出，輸出信號(hào)接上拉電阻進(jìn)行死區(qū)控制?？紤]到一般的CMOS集成器件普遍表現(xiàn)為低通濾波特性，使得高頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，上升沿和下降沿變緩，以致波形畸變，因此使用施密特觸發(fā)器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行處理。達(dá)到整形目的同時(shí)，也增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。其流程如圖5所示。

圖5 控制信號(hào)處理電路工作流程框圖Fig.5 Control signal process circuit block diagram

2.4 功率放大電路

功率變換電路采用高壓驅(qū)動(dòng)器IR2110。IR2110是雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源。其采用CMOS工藝制作，邏輯電源的電壓范圍為5～20 V，適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號(hào)輸入，具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道。IR2110工作頻率高，開通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns。其輸出峰值電流可達(dá)2 A，上橋臂通道可承受500 V的電壓。自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下2個(gè)開關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[5]。

功率放大部分主要用到的是功率半導(dǎo)體器件。功率MOSFET具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)耗散功率小、開關(guān)速率快、開關(guān)損耗低、導(dǎo)通損耗低等重要優(yōu)良特性[6]。本設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)100 V左右的直流輸入的1 MHz內(nèi)的高頻逆變，所以需要選用一款開關(guān)速度很高的MOSFET。查閱IRF系列的幾款MOSFET，本設(shè)計(jì)采用平均開關(guān)時(shí)間最小的IRF740作為功率MOSFET。

高頻信號(hào)通過(guò)IR2110后實(shí)現(xiàn)功率放大，可以驅(qū)動(dòng)MOSFET。通過(guò)全橋則可實(shí)現(xiàn)直流電源到高頻交流電源的轉(zhuǎn)換。其全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，其中 Q1～Q4為 IRF740 MOSFET，L1為原邊線圈。

圖6 全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of full-bridge inverter circuit

2.5 整流電路

本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其作用為將副邊線圈交流電整流成直流電，從而為負(fù)載提供電源。其示意圖如圖7所示。二極管D1～D4采用摩托羅拉公司的MBR1545CT型號(hào)的肖特基整流二極管，其有正向?qū)妷盒?、結(jié)電容小、開關(guān)速率快、反相恢復(fù)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。其中D1～D4為MBR1545CT二極管，L2為副邊線圈。

圖7 整流電路示意圖Fig.7 Sketch diagram of rectifying circuit

3 系統(tǒng)平臺(tái)搭建與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制作出的印刷電路板實(shí)物如圖8所示，圖8（a）為發(fā)射端基于DDS的高頻信號(hào)發(fā)生裝置，圖8（b）為發(fā)射端控制信號(hào)處理電路和功率放大電路，圖8（c）為接收端整流電路。高頻信號(hào)發(fā)生裝置可以通過(guò)鍵盤調(diào)節(jié)頻率，并通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。

圖8 印刷電路板實(shí)物Fig.8 Real product photo show of printed circuit

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室中搭建一個(gè)磁耦合共振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)射和接收線圈采用耐超高溫耐輻射漆包線緊密纏繞數(shù)匝，并用環(huán)氧樹脂澆灌成型，線圈半徑20 cm。電容部分采用2個(gè)合適大小的陶瓷電容，分別串接入原副邊回路中，接收端回路串接一個(gè)燈泡作為負(fù)載。

改變線圈間距，記錄下供給電源電壓、電流大小，兩線圈距離，負(fù)載燈泡的電壓電流大小，計(jì)算出不同間距下的傳輸效率如表1所示?？芍?，當(dāng)保持供給電壓一定時(shí)，線圈間距越大，其傳輸效率越低。在相隔1 m的情況下，當(dāng)發(fā)射端總耗散功率達(dá)到108 W時(shí)，可以點(diǎn)亮額定功率為25 W的燈泡，傳輸效率近20%。實(shí)驗(yàn)實(shí)物效果如圖9所示，驗(yàn)證了上述所設(shè)計(jì)電路的實(shí)際可行性。

表1 不同間距下的傳輸效率Tab.1 Transfer efficiency of different distance

傳輸效率為負(fù)載的電壓電流乘積值比供給電源的電壓電流乘積值。

圖9 實(shí)物實(shí)驗(yàn)效果圖Fig.9 Experimental result photo show of real product

4 結(jié)語(yǔ)

目前的無(wú)線電能技術(shù)仍存在許多亟待解決的問(wèn)題，例如其周圍空間存在高頻電磁場(chǎng)，要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)，其能量的控制比較困難，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送，造成其整體傳輸效率不高。且其高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全帶來(lái)影響。同時(shí)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)也有著廣闊的應(yīng)用前景，例如建立無(wú)線充電站或停車場(chǎng)可以有效解決電動(dòng)汽車充電站占地多，接線繁雜的問(wèn)題，建立無(wú)線充電的統(tǒng)一平臺(tái)可為各種電子設(shè)備充電。在醫(yī)療器械、軌道交通、特種設(shè)備等方面應(yīng)用無(wú)線電能供電方式也將帶來(lái)極大的便利與安全。

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