徐廣廣 劉藝柱 付士淼 孫浩元

基金項目：天津市科技計劃項目；項目名稱：無人駕駛搬運車（AGV小車）科普資源包的設(shè)計與開發(fā)；項目編號：22KPXMRC00030。天津市市級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目；項目名稱：提升電子天平測量精度的研究；項目編號：202212105009。

作者簡介：徐廣廣（2001— ），男，江西豐城人，本科生；研究方向：無線傳能技術(shù)應(yīng)用。

*通信作者：劉藝柱（1975— ），男，山西臨汾人，副教授，碩士；研究方向：自動化技術(shù)應(yīng)用。

摘要：磁耦合諧振式無線傳能傳輸技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)中等距離高效率能量傳輸?shù)募夹g(shù)，具有良好的隔離性能，然而現(xiàn)階段研究依然存在傳輸效率低、性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。文章介紹了一種采用RLC并聯(lián)諧振實現(xiàn)的磁耦合諧振式無線傳能裝置。該設(shè)計采用環(huán)形振蕩電路產(chǎn)生高頻信號、高速TTL反相器對振蕩電路輸出的波形整形，并通過MOS管對輸入的方波信號進(jìn)行放大，采用自制線圈可以實現(xiàn)RLC諧振，從而進(jìn)行信號傳輸，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)無線傳能效率較高，可達(dá)到55%。文章設(shè)計的無線傳能裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實現(xiàn)，且性能可靠，在小型無線用電設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：RLC并聯(lián)諧振；磁耦合諧振；無線傳輸；環(huán)形振蕩；高頻信號；自制線圈

中圖分類號：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

近年來，無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)逐漸推廣，目前常用電磁感應(yīng)式或磁耦合諧振式兩種傳輸方式進(jìn)行無線電能傳輸。其中磁耦合諧振式能量傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)中距離、大功率的能量傳輸，安全系數(shù)高，靈活性高［1-2］，因此磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)成為該領(lǐng)域的研究熱點，許多國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，在很多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景［3-4］。目前電動汽車無線充電、移動設(shè)備充電、植入人體心臟起搏器電池充電等裝置都已使用電磁感應(yīng)耦合方式的無線電能傳輸技術(shù)［5-6］。

電磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕驹?，是在一定距離范圍內(nèi)，利用兩個相同諧振頻率的電磁系統(tǒng)，通過電磁耦合諧振，使電能在兩線圈間不通過導(dǎo)線進(jìn)行無線傳輸，利用耦合線圈以及與線圈相連接的電容器，從而構(gòu)成諧振電路，實現(xiàn)電能的無線傳輸［7-8］?，F(xiàn)階段人們對于電磁耦合的無線傳能技術(shù)的理論研究已逐漸成熟，然而依然存在傳輸效率低、傳輸距離近、性能不穩(wěn)定等問題，通過優(yōu)化無線傳能電路，研究出一套傳輸性能好、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的電路具有重要意義［9］ 。

本系統(tǒng)設(shè)計采用磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)如果傳輸效率同等情況下，使用四線圈可以更好地實現(xiàn)阻抗匹配［10-11］。因此，系統(tǒng)中實際使用四線圈進(jìn)行耦合。

1 電路系統(tǒng)整體設(shè)計

本無線傳能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個無線能量傳輸系統(tǒng)由以下幾部分組成：高頻正弦信號發(fā)生和功率放大電路、發(fā)射線圈和諧振初級線圈、諧振次級線圈、接收線圈以及整流電路和負(fù)載。其中發(fā)射線圈與功率放大電路相連接，接收線圈與整流電路相連接，電路系統(tǒng)的核心部件是兩個諧振線圈，諧振線圈是否發(fā)生諧振決定電路的傳輸效率。

2 RLC并聯(lián)諧振原理分析

本設(shè)計方案采用RLC并聯(lián)諧振方式實現(xiàn)無線傳能，RLC并聯(lián)電路原理如圖2所示，電感線圈用R和L串聯(lián)組合表示，電感線圈的阻抗為R，感量為L，感抗為XL；電感線圈與電容器C并聯(lián)，構(gòu)成了RLC并聯(lián)電路，電容的容量為C，容抗為XC。電路工作電壓為U·，頻率為f，流過線圈支路的電流為IRL·，流過電容支路的電流為IC·。

電路中電壓U與電流I的相位關(guān)系如圖3所示，可以看出，并聯(lián)電容后電流、電壓之間的相位角從ΦRL減小到。=0時，即電壓與電流同相位，此時電路發(fā)生諧振，簡稱并聯(lián)諧振。電容支路電流完全抵消了RL串聯(lián)支路電流的無功分量，電路的總電流為RL串聯(lián)支路電流的有功分量［12］。

由相量圖可得：

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 振蕩電路及信號整形電路

系統(tǒng)電路設(shè)計原理如圖4所示。本設(shè)計方案中采用環(huán)形振蕩電路實現(xiàn)高頻振蕩，用U1（CD4069）中的3個非門組成一個可調(diào)頻率的環(huán)形振蕩電路。電路的振蕩是通過電容C1充放電完成的，振蕩頻率可通過滑動變阻器R1的阻值調(diào)節(jié)，這種振蕩電路輸出為矩形方波。

由于方波輸出的振蕩信號電壓最大振幅為0～5 V，為充分驅(qū)動電源開關(guān)電路，使用U1中的另外3個非門反相器對振蕩電路輸出的波形整形，并提高輸出端的驅(qū)動能力。

3.2 功率驅(qū)動電路

MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，在開通和關(guān)斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流。常用的小功率驅(qū)動電路為不隔離的互補驅(qū)動電路，簡單可靠成本低，適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。因此本設(shè)計中以三極管Q1和Q2構(gòu)成的乙類推挽電路驅(qū)動MOS管Q3，對輸入的方波信號進(jìn)一步放大。

3.3 線圈設(shè)計

電磁諧振無線傳能系統(tǒng)性能會受線圈的各項參數(shù)影響，因此設(shè)計合適的線圈參數(shù)對無線傳輸系統(tǒng)的性能是至關(guān)重要的［13］。對于磁耦合諧振式用到的線圈主要有螺線管式和平面螺旋式兩種，螺線管式結(jié)構(gòu)線圈產(chǎn)生的磁場均勻且方向性好，同時產(chǎn)生的距離遠(yuǎn)和效率高。而平面螺旋線圈使得線圈厚度很薄，非常適宜體積較小的用電設(shè)備，可以使得整個系統(tǒng)趨于微型化，其不足之處在于，該線圈對發(fā)射與接收線圈的位置有非常嚴(yán)格的要求，兩線圈的中心一旦偏離，會使能量傳輸效率急劇下降。

本設(shè)計方案中發(fā)射和接收線圈L1、L2均采用平面螺旋式繞法，線徑1mm，線圈內(nèi)徑75mm，匝數(shù)4匝，根據(jù)Harold A. Wheeler近似公式：

式（6）～（7）中，Di是線圈內(nèi)徑，N是線圈匝數(shù)，ω是線圈線徑，s是匝間距離，計算求得線圈電感值為2.73 μH。

3.4 接收回路及負(fù)載

能量接收回路由接收線圈、整流電路、負(fù)載等部分組成，整流橋堆D1將接收的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量驅(qū)動負(fù)載，負(fù)載R5選用1 W的LED。

4 實驗測試與結(jié)果

4.1 實驗測試

為了保證諧振無線傳能裝置高效工作，首先要保證發(fā)射和接收線圈L1、L2與所匹配的電容具有相同的諧振頻率。由于電感、電容制造過程中，每一個都存在著與標(biāo)稱值之間的誤差，因此對線圈L1、L2并聯(lián)的電容在前面理論計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗，對電容參數(shù)進(jìn)行微調(diào)整，確保它們具有相同的諧振頻率。實驗過程中，調(diào)整輸入頻率f，測試短路電流、開路電壓以及輸入電壓、電流，計算得到表1所示數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，當(dāng)輸入信號頻率高于或者低于諧振頻率時，RLC并聯(lián)諧振電路失諧，阻抗迅速減小，信號電流明顯增大。由于RXL，ΦRL≈90°，I1·≈-I·C，I1≈ICI，I≈0，因此，并聯(lián)諧振時電路的阻抗模|Z0|較大，電流也就較??；從表1可以看出在頻率為3 MHz時，電路為諧振狀態(tài)，輸入電流為45.3 mA，電流為最小值，與理論相符。同時此時得到最大的傳輸效率為55%，如圖5所示。

4.2 實驗結(jié)果

把調(diào)試好的線圈組裝入無線傳能裝置，觀察負(fù)載LED的亮滅以及亮度的變化，間接地反映了諧振線圈調(diào)試是否一致。當(dāng)輸入信號的頻率f為3.0 MHz，最接近電路的固有頻率f0（2.8 MHz）時，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，此時電路的阻抗最大，且為純阻性，LED最亮，能量傳輸效率也最高。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種使用RLC并聯(lián)諧振的無線充電系統(tǒng)，實驗驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。經(jīng)過實驗測試，實驗結(jié)果表明此設(shè)計傳輸效率較高，最高效率可達(dá)約55 %。本系統(tǒng)采用環(huán)形振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號，采用磁耦合式無線傳輸方式，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳輸效率較高，穩(wěn)定性較好，具有很好的實用性。本設(shè)計的創(chuàng)新性在使用簡單的電路實現(xiàn)無線傳輸功能，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。在無線傳能設(shè)備中，尤其是小型無線用電設(shè)備中等可以采用此類電路，未來市場前景較好。

參考文獻(xiàn)

［1］趙爭鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展［J］.中國電機工程學(xué)報，2013（3）：2-13.

［2］王世偉，王首剛，趙立棣，等．基于RLC電路非諧振頻率工作點的磁感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)［J］.電力學(xué)報，2020（6）：498-506.

［3］陳穎曼，吳大中，王洪宇.磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化實驗研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2016（8）：33-36.

［4］張獻(xiàn)，楊慶新，陳海燕，等．電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究［J］．中國電機工程學(xué)報，2014（28）：167-172.

［5］QI H Y， CHEN W J，XIAO T L，et al.Study on the influence of frequency splitting of a WPT system on high frequency conducted MMI：2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation（APCAP）［C］.Xian：Institute of Electrical and Electronic Engin-eers，2017.

［6］高金玲．植入式醫(yī)療設(shè)備無線電能傳輸系統(tǒng)的研究［D］．上海：上海電機學(xué)院，2020.

［7］張獻(xiàn)，蘇杭，楊慶新，等.諧振耦合無線傳能高速列車系統(tǒng)最大傳輸效率的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2015（30）：308-312.

［8］趙鴻遠(yuǎn).磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)木€圈與發(fā)射電路優(yōu)化［D］．西安：長安大學(xué)，2018.

［9］袁靜，羅浩，徐新平，等．基于電磁耦合的無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用及展望［J］.激光雜志，2021（3）：22-27.

［10］ZHANG Y M，ZHAO Z M，et al．Comparison of two basic structures in magnetically－coupled resonant wireless power transfer［J］．Transactions of China Electro technical Society，2013（S2）：18－22.

［11］陳凱楠，趙爭鳴，劉方，等．電動汽車雙向無線充電系統(tǒng)諧振拓?fù)浞治觯跩］．電力系統(tǒng)自動化，2017（2）：66－72.

［12］秦曾煌．電工學(xué)簡明教程［M］．北京：高等教育出版社，2015.

［13］陳坤燚，李紹武，楊永超，等.電磁諧振無線能量傳輸系統(tǒng)參數(shù)研究［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報，2015（5）：62-66.

（編輯 李春燕）

Abstract： Magnetic coupling resonance wireless energy transmission technology is a technology that can realize medium distance and high-efficiency energy transmission， and has good isolation performance. However， the current research still has the phenomenon of low transmission efficiency and unstable performance. This paper introduces a magnetic coupling resonant wireless energy transmission device realized by RLC parallel resonance. The design uses a ring oscillation circuit to generate high-frequency signal， a high-speed TTL inverter to shape the output waveform of the oscillation circuit， and amplifies the input square wave signal through MOS tube. The RLC resonance can be realized by using a self-made coil for signal transmission. The experimental results show that， The wireless energy transmission efficiency of the system is high， which can reach 55%. The wireless energy transmission device has the advantages of simple structure， low cost， easy implementation and reliable performance. It has a good application prospect in small wireless electrical equipment.

Key words： RLC parallel resonance; magnetically coupled resonance; wireless transmission; ring oscillation; high frequency signal; self-made coil