小功率磁耦合谐振式无线电能传输装置研究

周俊巍 吴军基 张旭东 王万纯

（南京理工大学能源与动力工程学院 南京 210094）

1 引言

无线电能传输（Wireless Power Transfer）的研究历史悠久，早在电网广泛使用之前，就有大量关于无线电能传输的研究。在1983年的哥伦比亚世博会上，美国科学家尼古拉·特斯拉利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡[1]。基于全向天线（在信息通信中工作良好）的辐射模式不适合能量传输，大部分能量耗散在空间中。直接辐射模式中使用激光或者高度定向天线可以进行高效长距离（传输距离远大于设备尺寸）能量传输，但是必须提供直线视野，如果是移动设备还要复杂的跟踪系统。

随着电子产品（笔记本电脑、手机、家用机器人等所有依赖化学储能的设备）的快速发展，重新激起对电能无线传输的需求。但是我们面临着和特斯拉迥然不同的挑战：随着电网的广泛普及，即使在中距离范围内（传输距离接近设备尺寸）电能也可以大量使用。因此提出基于非辐射模式（磁感应）的方法，但会受限于短距离（传输距离远小于设备尺寸）或者低功率（mW 级别）[2-5]。

无磁芯感应耦合方法在射频识别的供电中获得使用，为了提高接收端电压，一般在接收端并入电容构成在运行频率点的谐振电路。2007年7 月，麻省理工的M.Soljacic 教授等人提出了在初级和次级侧同时谐振耦合的方法[5]，首次提出低辐射损耗的电能无线传输，并实现了在2m 距离内以40%的效率传输60W 的电能，成功点亮白炽灯。国内对基于磁耦合谐振式无线电能传输也进行了一定的研究[7-8]。

磁耦合谐振式无线电能传输作为一种新型电能传输方式，其传输效率更高，更容易实现，因此在植入医疗器械，电动汽车，智能家居等领域得到了广泛的应用。文献[9]提出了适合与植入式医疗器械的无线电能传输结构，文献[10]设计了一种用于生物移植的新型高效磁耦合谐振式无线电能传输装置，传输效率高，耦合度强，同时生物相容性好，适合批量生产。目前关于电动汽车的无线供电技术也得到了广泛的研究，并取得了显著的成果[11,12]。智能家居近年逐渐被人们所关注，无线电能传输技术可在其中发挥重要作用，手机、笔记本电脑无线充电终端等产品相继问世[13]。

磁耦合谐振式无线电能传输技术相比于传统无线电能传输方式有其突出的优势，具有广阔的应用前景。

本文将研究基于磁耦合谐振式无线电能传输方法，验证该方法的可行性，并实现短距离12V/3W的LED 灯的供电。

2 磁耦合谐振式无线电能传输理论分析

2.1 磁耦合谐振式无线电能传输模型

一般要求无线电能传输的共振耦合模型具有高Q=ω/2Γ（对于低本征耗散率Γ），因此在磁共振耦合方式中，不是用易耗散的辐射远场，而是用短暂不易耗散的平稳近场。在传输距离大于设备尺寸时，如果要求耦合系数κ 较大，最好选择尺寸较大的发射源。

2.2 磁耦合谐振式无线电能传输电路的设计

2.2.1 拓扑结构

文献[14]对比了3 种电路结构。三种电路结构如图1 所示。

图1 三种电能无线传输结构

图1(a)为简单的非谐振感应耦合方法。图1(b)为低Q 值谐振耦合方法，源阻抗和负载阻抗近似与LC 谐振电路并联，R2和R3较小，所以系统的Q 值主要决定于RS、RL。图1(c)为高Q 值谐振耦合方法。源阻抗和负载阻抗通过感应耦合至LC 谐振电路，阻抗将会按变比的平方反比例下降。合理的调节变比，可以获得很高的系统Q 值。

选择第3 种电路结构，可以获得高Q 值的磁共振耦合电路结构。图2为示意图。

图2 磁耦合谐振式电路结构

L1为发射线圈，通过电磁感应和发射谐振线圈L2互相作用，L1的电源频率和L2的谐振频率相同可以触发L2谐振。L3为接收谐振线圈，通过电磁感应和L4互相作用。L3的谐振频率和L2的谐振频率一致。这样，只要发射线圈的电源频率和L2、L3的谐振频率一致，L1中的能量就可以高效耦合给负载RL。

2.2.2 功放电路的设计

功放电路的设计输出频率在1-20MHz 范围内可调，最大输出功率20W。

为了系统的可靠运行，设计1-20MHz 的振荡电路，实现全范围可调，这样便于寻找系统的谐振频率和进行更多实验。为了实现在1-20MHz 范围内调频，采用压控振荡器（VCO）设计高频振荡器。电路原理图如3 所示。

图3 振荡电路及功率放大电路

功率放大电路的输出经3dB 衰减器接入。信号通过两只IRF510 组成的推挽功率放大电路进行功率放大，最后高频功率信号经高频变压器输出。由于负载为线圈，其阻抗和功放的特性阻抗不匹配，为保护功放电路，功放输出需经3dB 衰减器接发射线圈。

3 实验研究与分析

电路参数见表。

表 电路参数表

功放经过3dB 衰减器接发射级线圈L1，接收线圈L4接电阻R=50Ω。在此基础上，对系统进行实验测试，并分析相关数据。

3.1 感应耦合方式传递能量

L2和L3两个谐振线圈断开，通过改变发射频率和传输距离，测量负载电压。负载电压为峰-峰值电压表示。感应耦合方式的能量传递测试结果如图4所示。

由实验结果可知，固定频率下，随着传输距离增加，感应耦合方式获得的能量逐渐降低；同时，随着频率的增加，感应耦合方式获得的能量急剧减小。

3.2 谐振耦合方式传递能量

L2和L3两个谐振线圈接入调节电容，通过改变发射频率和传输距离，测量负载电压。负载电压为峰-峰值电压表示。谐振耦合方式的能量传递测试结果如图5 所示。

图5 谐振耦合方式下负载电压与距离的关系

3.3 感应耦合与谐振耦合方式比较

通过比较在各种不同频率下两种能量传递方式的负载电压，可以知道两者传输性能的优劣。

电源频率f=1MHz 时，测试结果如图6 所示。

电源频率f=1.572MHz 时，测试结果如图7 所示。

图6 f=1MHz 时负载电压与距离的关系

图7 f=1.572MHz 时负载电压与距离的关系

电源频率f=2.23MHz 时，测试结果如图8 所示。

图8 f=2.23MHz 时负载电压与距离的关系

电源频率f=3.425MHz 时，测试结果如图9 所示。

图9 f=3.425MHz 时负载电压与距离的关系

4 个频率下均发现，谐振耦合获得的能量是感应方式获得的2～4 倍，因此谐振耦合方式比感应方式更适合短距离电能无线传输。

3.4 谐振耦合的特性

谐振耦合方式的优点在于线圈谐振时，接收线圈将获得较高的能量。根据理论计算，系统谐振频率为

系统按谐振耦合方式工作时，测试结果如图10所示。

图10 谐振耦合方式下负载电压与距离的关系

实际测试电源频率为1.178MHz 时，系统发生谐振，谐振点与理论计算有偏差。这是因为线圈在高频下的分布电感和电容使其谐振频率发生了偏移，但是测试结果仍然表明，谐振耦合线圈具有很高的Q 值，且在谐振点处接收的能量最高。

为了更直观地体现磁耦合谐振式无线电能传输的能力，负载线圈接入12V/3W 的LED 灯，实验平台如图11 所示。

图11 磁耦合谐振式无线电能传输实验装置

4 结论

实验成功实现了100cm 距离处12V/3W 的LED灯的供电，验证了磁耦合谐振式无线电能传输方式的可行性，实测数据表明其传输功率明显优于感应方式，且其电能传输距离更长。

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