应用于无尾家电的非接触式无线能量传输技术

张剑韬 朱春波 陈清泉

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

1 引言

自2007年美国麻省理工学院Soljacic教授及其团队实现2m外点亮60W灯泡[1]，无线能量传输技术受到越来越多的关注。无线能量传输技术舍弃传统的线缆传输方式，解决了接口插拔所导致的电火花及接口老化等问题，同时更易实现自动化[2]。随着智能家电的普及，将无线能量传输技术应用于现代家庭生活中具有诸多优点，如实现家电无尾化使居家生活更加整洁；避免插拔线缆所引起触电及火花危险；以及实现智能家电自动化操作。

本文应用磁耦合谐振技术[3-5]，能量发射端采用平板磁心结构，提高了系统整体耦合系数，降低了系统工作频率，同时具有磁屏蔽作用，减少了无线装置对周围其他电子产品的影响。而安装于家电产品中的能量接收线圈，采用无磁心线圈结构，不仅减小了系统体积和重量，同时提高了系统的可靠性和实用性。针对家电无线供能过程中存在发射装置与接收装置不对称的问题，本文采用能量发射装置大、接收装置小的新型系统，不仅解决了空间错位问题，同时保证了系统的充电效率。

2 系统整体结构

本文设计的系统框图如图1所示，其中电源部分采用直流电源（0～400V可调），逆变器采用高频H桥式逆变电路，能量发射端包括平板磁心、谐振线圈和谐振电容，能量接收端包括谐振线圈和谐振电容，负载为普通家用电饭煲的加热盘。

图1 无尾家电系统框图Fig.1 The system diagram of a tail-free household appliance

本系统中能量发射端和能量接收端之间距离可调，针对三段不同距离进行了实验研究，且针对接收端线圈错位问题进行相关实验。实验系统采用定频控制方式，针对60mm系统进行谐振参数设计。

3 系统工作原理

本文采用串联-并联谐振电路结构，如图 2所示。图中，U1为电压源；L1、C1为能量发射端谐振电感及谐振电容；r1为能量发射线圈内阻；L2、C2为能量接收端谐振电感及谐振电容；r2为能量接收线圈内阻；Rl为系统负载。根据系统模型，列写系统KVL方程[6,7]如下：

图2 系统耦合谐振电路图Fig.2 The circuit diagram of a coupling resonant system

根据系统电路，列写电流方程如下：

由式（2），获得电压方程如下：

根据式（2）和式（3），可解得二次侧电路耦合至一次侧电路的等效负载Req为

耦合系数公式为

由于系统线圈采用Litz线，即多股李兹线，线径内阻非常小，r2→0，可忽略。式（6）简化为

若式（7）中仅Rl变化，即系统其他参量不变，负载变化，随着负载Rl阻值增加，系统等效负载Rtol也随之增加。可根据该结论合理选择系统负载，进行参数匹配。

4 系统仿真模型

针对系统结构进行三维空间电磁场仿真，建立模型如图3所示。其中图3a表示在传输距离60mm处能量发射线圈无磁心情况下，系统接收线圈水平侧移时空间耦合系数变化曲线；而图3b表示当发射线圈表面下安装平板磁心情况，系统接收线圈水平侧移时空间耦合系数变化曲线。

图3 有无平板磁心对系统耦合系数影响对比Fig.3 The comparison result of different coupling coefficients with or without a plane-shaped core

由仿真结果得出，系统有平板磁心情况中心点耦合系数（约0.14）明显高于无磁心情况（约0.02），耦合系数提高可降低系统工作频率，减少开关损耗，提高系统工作效率；同时，可降低系统对周围电子产品产生电磁干扰，加入平板磁心对系统磁屏蔽也起到一定作用。

5 实验结果与分析

为验证本文系统设计方法，搭建了无尾家电实验平台，平台主要包括直流电源、系统控制器、高频逆变器、能量发射线圈、能量接收线圈、阻性负载等。其中，直流电源电压调节范围为 0～400V；系统控制器，可实现 PWM输出；能量发射线圈表面下铺有平板磁心。

如图4所示，能量发射线圈与能量接收线圈垂直高度可调，本文在60mm、100mm、150mm三种垂直距离下进行了实验。能量接收线圈侧移范围为0～150mm，即接收线圈可在发射线圈表面随意移动。同时系统负载采用电饭煲的发热盘，并为阻值固定的阻性负载。系统采用定频工作方式，设计参数时以 60mm谐振参数为基准，系统工作频率为57.5kHz。

图4 实验装置图Fig.4 The device for experiments

通过实验，得到三种垂直距离下、不同侧移的耦合系数分布曲线如图5所示，曲线与仿真结果一致：

（1）当接收线圈与发射线圈中心对称时，三种距离情况下的耦合系数均达到最大值。

（2）垂直距离60～100mm之间，水平侧移在100mm范围内时耦合系数基本不变，水平侧移大于100cm后呈下降趋势。

（3）垂直距离150mm时，随着水平侧移增加，耦合系数呈线性下降。

图5 系统耦合系数曲线Fig.5 Curves of coupling coefficient

由此可知，在一定垂直距离内，由于接收线圈小于发射线圈，在一定侧移范围内，负载不变情况下，耦合系数基本不变，即系统等效负载不发生改变，系统谐振频率不变，系统鲁棒特性好。

如表所示，系统工作频率为 57.5kHz，当系统直流电源输入308V时，垂直距离为60mm，系统耦合系数0.157，其中系统加热盘负载为70Ω，发射线圈采用矩形结构，接收线圈为圆盘形结构。

本系统实验平台主要针对三个垂直距离进行实验研究，其中系统工作频率恒定为 57.5kHz，负载恒定为70Ω。随直流输入电源电压升高，系统中心点及横轴侧移50mm、100mm情况下系统输出功率变化曲线和系统效率变化曲线如图6所示。

表 系统平台设计参数Tab. Parameters for the systtem platform

图6 系统实验数据曲线Fig.6 Curves of data based on the experiments

由图6a可知，根据图4所示耦合系数曲线，垂直距离为 60mm，侧移距离在-100～100mm之间时，系统耦合系数基本不变，即系统等效负载不变，系统谐振频率不变；相同电压下，系统输出功率恒定不变，系统效率不变；当系统升压到300V时，系统输出700W，系统传输效率约为80%。

由图6b可知，根据图4所示耦合系数曲线，垂直距离内为100mm，侧移距离在-50～50mm之间时，系统耦合系数基本不变；侧移距离达到100mm时，耦合系数略有下降。实验曲线表明在相同频率、相同负载情况下，侧移距离在一定范围内时，输出功率基本相同，输出效率略有下降；侧移距离变大后导致系统耦合系数下降，系统等效负载减小，系统输出功率降低。

6 结论

本文针对无线供能的无尾家电实现问题，设计了一种基于平板磁心磁耦合谐振式无线能量传输系统，建立了系统数学模型，分析了耦合系数与等效负载之间的关系。针对系统有无平板磁心结构对系统耦合系数的影响进行了三维电磁场仿真分析比较，并通过实验平台验证了理论分析与仿真结果，能量接收线圈可在一定范围内保持恒功率、恒效率输出，具有强鲁棒特性。在60mm、100mm、150mm三种垂直距离下，对系统输出功率及效率进行分析对比，系统输出功率可达700W，系统传输效率可达 80%。结合理论分析及实验结果，得到以下结论：

（1）采用平板磁心结构系统，当垂直距离在一定范围内且侧移距离在一定范围内时，系统耦合系数保持不变，固定系统工作频率可保持系统输出功率及效率恒定。

（2）采用发射线圈与接收线圈尺寸不一致的结构可提高系统鲁棒性，在保证输出功率及输出效率的同时实现了大面积无线能量传输。

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