电磁谐振式的无线充电系统实验研究

韩晓坤 ，仝卫国 ，宋凯兵

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

近年来，随着电气设备的不断发展，移动设备充电问题逐渐成为人们关注的重点。传统的移动设备是通过电源线直接充电，电源只能对单一设备进行充电、充电效率低时间长。针对这一问题，研究无线充电技术就显得意义重大，无线充电技术能有效的避免电气设备之间因为接触产生的电火花、导线的磨损而造成的电力中断。此外，无线充电技术还具有高效率、灵活方便、应用范围广泛等优点[1]。

无线充电技术主要有电磁感应式、磁谐振式、微波式三种，目前国际上无线充电的主流标准分为Qi、PMA和A4WP 3大标准[2]。其中磁谐振无线充电技术是一种新型的无线充电技术，它基于电磁谐振耦合原理综合应用谐振耦合技术、谐振补偿技术、整流补偿和稳压技术等，通过两个具有相同谐振频率的线圈产生的高频交变的磁场，实现电能通过非接触方式在一定距离上的传输。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更具灵活性和实用性，能破除人们对电源线路的依赖，实现供电设备和用电设备之间

中远距离供电[3,4]。

1 电磁谐振式无线充电系统构成

电磁谐振式无线充电系统一般结构如图1所示，主要包括发射端和接收端两大部分。发射端包括高频逆变电路、空心线圈及谐振补偿电路，其中高频逆变电路为线圈提供高频交变电压；接收端包括另一空心线圈与谐振补偿电路，以及整流滤波电路和负载电路。

图1 电磁谐振式电能无线充电系统构成Fig.1 Configuration of electromagnetic resonant wireless power transmission system

本系统设计的电磁谐振式无线充电系统中，直流电源DC=12 V（最大功率12 W），高频逆变电路是基于IR2104的半桥逆变电路：其中驱动方波PWM由单片机产生；发射与接收电路都是采用的电容串联补偿电路；整流电路采用的是全桥整流电路，负载电路包含稳压模块与用电装置。

2 电磁谐振式无线电能传输的特性分析

2.1 电磁谐振式无线电能传输模型

首先，将系统简化为图2所示的等效电路模型。一个完整的电磁谐振无线电能传输系统包括：高频功率源，两个谐振耦合空心线圈，补偿电容以及负载。

图2 电磁谐振式无线传输电路简化模型Fig.2 The simplified model of wireless transmission of electromagnetic resonant circuit

有上述电路模型，根据KVL列写出回路方程为：

进一步得到谐振耦合系统模型无线传输的效率为

当系统处于谐振状态时，电压和电流的相角必须为0，故系统在谐振状态下，输入回路和接受回路的等效阻抗分别为：Z1= R1，Z2= R2+RL

2.2 电磁谐振式无线电能传输特性分析

由式（5）可知，系统传输效率与负载有着直接的关系，且与线圈直接的互感M密切相关。时传输效率η 有最大值，此时故并不是互感越大，系统的传输效率最大，而是在互感与阻抗相匹配时，系统才有最大的传输效率，即存在一个最佳的传输距离[5,6]。

3 实验结果及分析

在实验过程中，为方便观察传输效果，负载端并没有接入蓄电池，而是接入一个小LED灯与1 k的电阻。重点测量了频率、线圈半径、线圈线径对系统的影响，并接入不同电阻负载分析系统的传输效率，以及当发射线圈与接收线圈的几何大小不一致时，系统的工作状况。

3.1 不同谐振频率对系统的影响

保证系统谐振状态及其他参数一致，通过串联不同的补偿电容改变系统谐振频率，得到实验结果如图3所示，在一定频率的范围内，较高的频率可以有效的提高输出功率及传输效率。随着距离的增大，频率的高低对输出功率的影响不再那么明显。

图3 不同谐振频率下，各个耦合距离上的负载端电压Fig.3 The load voltage of respective coupling distance in different resonance frequencies

3.2 不同线圈线径对系统的影响

在保持其他参数一定，改变线圈线径，得到实验结果如图4所示，线径越大，负载端电压值越高，输出功率越高。

3.3 不同线圈半径对系统的影响

在保持其他参数一致，通过改变线圈半径，得到实验结果如图5所示，在相同的耦合距离上，半径越大的线圈其负载端电压值越大,系统无线传输的有效距离也随着线圈半径增大而增大。

图4 不同线圈线径下，各个耦合距离上的负载端电压Fig.4 The load voltage of respective coupling distance in different coil diameter

图5 不同线圈半径下，各个耦合距离上的负载端电压Fig.5 The load voltage of respective coupling distance in different coil radius

3.4 发射与接收线圈参数不一致对系统影响

发射接收线圈参数不一致时，得到实验结果如图6所示，在较近的耦合距离上，发射与接收线圈参数一致时，系统的传输效果要优于参数不一致的情况，而随着耦合距离的增加，发射小接收大的传输效果优于其他两种情况，发射大接收小效果相比其他两种情况差一些。

图6 各个耦合距离上负载端电压值Fig.6 The load voltage of respective coupling distance

3.5 不同负载下的传输效率

保持其他参数一致，接入不同负载，得到实验结果如图7所示，系统的传输效率在耦合距离较近时随着负载的增大而增大，且随着耦合距离的增加，负载越大传输效率下降的越快。

图7 不同耦合距离上，各个负载的传输效率Fig.7 The transmission efficiency of individual loads in different coupling distances

4 总结

根据以上的多个实验研究得出：电磁谐振式无线充电系统受着多种因素的影响，其中较为重要的因素包括，谐振频率、耦合线圈半径、线径、负载等。谐振频率与半径的大小对电能传输距离有着明显的影响，尤其是线圈的半径，最小半径线圈与最大线圈的有效距离几乎能差一倍左右。

针对于更高的频率，对系统的硬件要求就更加严格，比如在本实验设计的系统中，频率超过350 kHz，效果反而会变差，这是由于在高频率下，开关管的工作能力下降，系统不能处于良好的工作状态，另外在确定的负载阻抗下，不同的谐振频率还会涉及到阻抗匹配问题。

在实际应用中，系统接入的负载是不能够改变的，但应该通过其他办法使系统能够更好地跟负载进行匹配，才能找到一个更好的工作距离范围，不能单纯的认为距离近效果就好。

[1]沈爱民. 无线电能传输关键技术问题与应用前景[M]. 北京：中国科学技术出版社.

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