感应式无线电能传输装置的设计

朱云龙, 余 雷, 刘文杰

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)



感应式无线电能传输装置的设计

朱云龙, 余 雷, 刘文杰

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)

感应式无线电能传输技术作为一种新型的电能传输技术，利用电磁谐振感应原理，实现电能在一定距离范围内传输。利用电磁感应定律使得无线能量传输系统的两个线圈在高频下发生自谐振，提出了基于线圈耦合感应传输的电能无线传输技术，其传输电能的特性已达到一般要求，且实际测量数据得到的效率也还是可观的。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的中程距离电能传输。

感应式电能传输； Boost变换器； 数字信号控制器

0 引 言

当前，高频变换技术和相关控制理论发展迅速，而且某些特殊应用场合需要用到电能无线传输技术，这就为电能无线传输技术的迅速发展提供了有利条件。就目前而言，电能无线传输技术大致分为电磁感应电能、微波电能和谐振耦合电能传输技术。无线电能传输，即用电设备以非接触方式从固定电网获取电能的技术，一直是人类的梦想。

新型电能无线传输系统应用谐振感应原理实现电能的安全有效传输，克服了传统电能传输中的诸多问题和不足。对该系统的研究不仅具有重要的科学意义，而且将开拓大量新领域研究和相关技术的发展[1-5]。磁感应谐振式无线能量传输技术应用前景十分广阔，不仅可应用于电动车充电系统、无线传感器网络及射频识别技术等方面，还在家用电器、小型移动设备、工业机器人、交通工具、航空航天、医疗器械、油田矿井、水下作业等领域有极大的应用价值，对电磁理论和充电技术的发展亦具有重要意义。但是谐振感应式无线功率传输作为一项新兴的技术还不是很成熟，理论与实验上的研究还不是很完善。本文根据这一技术做了一些探索性质的研究，研究感应式电能无线传输的原理特性与感应式无线功率传输技术，并得到了一些有价值的相关研究成果。

1 感应式无线功率传输装置的硬件设计

1.1 感应式无线功率传输原理

谐振感应式电能无线传输的基本原理与电磁感应式基本相同(见图1)，都是利用电磁感应定律，不同之处在于谐振感应式无线能量传输系统的两个线圈在高频下发生自谐振，产生以线圈为中心的以空气为媒介的时变磁场，两谐振线圈之间进行不断能量交换，实现无线能量传输。

图1 感应式无线功率传输系统框图

1.2 感应式无线功率传输系统构成

谐振感应式电能无线传输系统结构图如图2所示，电能无线传输系统包括发射端和接收端两大部分。发射端包括空心线圈及谐振补偿电路，高频逆变电路为线圈提供高频正弦波电流;相隔一定距离的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消耗电能的负载[1-2,6]。

图2 感应式无线功率传输系统结构

系统中最关键的就是谐振耦合电路，如图3所示，谐振电路采用的是LC串联方式，耦合系数拟用K=0.1。在电路中，为表示元件间耦合的松紧程度，把两电感元件间实际的互感(绝对值)与其最大极限值之比定义为耦合系数。

图3 谐振耦合电路

由于感应式无线功率传输的两线圈间的感应介质为空气，耦合程度很小，所以考虑K取0.1。模拟电路中两感应电感对应实物电路中的两感应线圈，两电感经过测量：原边L1=56.8 μH，副边L2=64.5 μH。实验做的是低频实验，约取频率20 kHz。

1.3 各电路的实物图

(1) 总电路图。如图4所示，首先直流电源输出恒定的电压12.3 V，通过逆变电路变为交流电，此交流电通过耦合线圈感应，在副线圈上输出交流电，此交流电通过整流电路变为直流电，在经过Boost升压电路(调理电路)输出直流电到蓄电池中，完成无线充电的功能[7-9]。

(2) 支架与耦合线圈。如图5所示，支架由铝合金材料搭建而成，线圈在支架上可自由地上下左右移动，长30 cm，宽20 cm，高18 cm。线圈是由两块透明板固定的，因为塑料对耦合系数的影响不大。线圈匝数：原线圈12匝，副线圈13匝，内宽11.5 cm，长19 cm，外宽15.5 cm，长23.5 cm，两线圈间隔为5.5 cm。

图4 总电路图图5 支架与线圈

(3) 逆变，整流，Boost升压电路。如图6所示，逆变电路的作用是将直流电转换成方波交流电，其MOSFET的型号是75N75。整流电路采用单向全桥整流电路，将高频交流电转换成直流电，输出端使用2.20 mF的电解电容进行滤波得到纹波很小的直流电压。整流桥使用了100 V 20 A的快恢复整流二极管。

Boost升压电路的作用通过改变MOSFET的PWM波占空比控制其输出电压，其中用了100 V 80 A的MOSFET，100 V 30 A的快速整流二极管。

图6 主要组成电路

2 感应式无线功率传输装置的软件设计

无线功率传输系统采用dsPIC33FJ06GS101芯片为控制核心，系统的发射边使用了一块DSP进行全桥逆变器的驱动控制，由于原边的开关频率一定，故只需要使用恒定频率的PWM即可[10-12]。

副边DSP软件设计的最终目的是实现改变PWM波的占空比来改变整流桥输出电压。软件程序主要包括主程序、中断服务子程序和PI控制子程序。主程序完成的是初始化工作；中断服务子程序主要完成的是采样以及数据处理输出等工作；PI控制子程序主要完成的是对采样数据的处理并计算控制器的输出。

主程序中主要是对DSP和ADC进行初始化工作以及对变量进行定义。主程序的循环里主要完成中断服务子程序的跳转工作。中断服务子程序包括定时器中断和ADC中断，定时器中断主要任务是定时，定时时间一到就清除中断标志。而ADC中断程序的作用是读取AD转换结果，并调用PI子程序，改变PWM占空比从而控制系统的输出。在计算机控制系统中，常采用数值逼法实现PID控制律。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程[1-2,12-13]。

3 实物调试及数据

当两线圈在某一频率下会发生谐振，这时感应的效率是最高的。于是实验了频率与效率的关系，这时除去这2个条件外，所有的其他条件都不变化。图9为效率与输入端频率的关系图。由图9可以看出，当输入端频率为22.196 53 kHz时，其效率值最高。

图9 效率与输入端频率的关系图

Boost升压器中的MOSFET是由PWM波驱动的，其中，PWM波的占空比D与U1、U2满足相应的关系式。如果U1确定，变化D，则U2变化；如果U2确定，变化D，则U1变化；而且D越小，U2/U1就越小。

图10为D与效率的关系图。可以看出，占空比的变化还是对效率有一定的影响的，但影响不是很大，得到的效率还是比较稳定的，约在67%。

4 结 语

利用电磁感应定律研究了感应式无线功率传输的

图10 占空比D与效率的关系图

原理特性与感应式无线功率传输技术，通过各种数据的收集并与软件仿真进行对比。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的中程距离电能传输，具有无方向性、穿透性强等优点。但是有些问题还有待研究，比如：①硬件实验中可以进一步研究线圈之间的距离对传输效率的影响，以及在此基础上改善电路结构使得只能在近距离才能有效传输能量的状况，在远距离下也能得到较高效率的电能传输。②进一步研究主副线圈的材质以及匝数对传输效率的影响，进而找到性价比相对比较高的材质用来进行电能的无线传输。

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Design of Inductively Wireless Power Transmission Apparatus

ZHUYun-long,YULei,LIUWen-jie

(School of Mechanical and Electric Engineering; Soochow University, Suzhou 215021, China)

A new technology of inductively wireless power transmission has been investigated, it uses electromagnetic resonance induction principle to transport energy within a certain distance. Using electromagnetic induction law, the two coils of the wireless energy transmission system occur self-resonance at a high frequency. Wireless power transmission technology has been proposed based on the induction of coil coupled. The characteristic of its power transmission has reached the general requirements and the efficiency obtained from actual measurement data is very considerable. Compared with the traditional wired power transmission technology, inductively wireless power transmission technology is more flexible, secure and reliable, and can achieve power transmission within medium distance between powered equipment and power equipment.

inductively wireless power transmission; Boost converter; digital signal controller

2015-07-29

国家自然基金项目(61263005)；苏州市科技计划-工业支撑项目(SG201319)

朱云龙(1990-),男,江苏苏州人，硕士生,主要研究无线传感网络技术。

余 雷(1983-),男,安徽广德人，博士,副教授,主要研究无线传感网络，智能控制技术等。E-mail:slender2008@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)05-0060-03