基于磁耦合谐振技术的无线充电系统

王惠中，王文涛，刘联涛，朱宏毅

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院甘肃 兰州730050）

基于磁耦合谐振技术的无线充电系统

王惠中1，王文涛1，刘联涛1，朱宏毅2

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院甘肃 兰州730050）

本文介绍了磁耦合谐振式无线电能传输技术的工作原理、基本结构，并且提出了几种提高效率的方法。设计了一种基于磁耦合谐振的无线充电实验装置，并试图在各模块优化的情况下，统筹各部分关系，使系统整体工作在最佳状态。主电路采用全桥逆变电路，控制电路采用PWM+PLL电路，谐振频率为76 kHz，实验证明效率可达90%以上。

磁耦合；谐振；无线充电；逆变电路

无线充电，作为一种新型的电能传输方式，简便快捷安全，无需大量繁琐的电线连接，使电器设备可以不受空间限制。

无线电能传输技术的基本原理是场效应耦合[1]。目前主要有3种方式：感应耦合式、磁耦合谐振式和微波辐射耦合式。而磁共振耦合相对于其他无线电能传输方式，具有以下几方面优势：首先，传输距离较远，可达到米级距离；其次，在充电过程中有较大的容错位移，使用灵活且效率高；第三，可以穿透某些障碍物，传输功率较大。

2015年全球无线电能传输市场规模达到了237亿美元，2011年开始，全球无线充电模块销量急剧增长，2019年将会增长到9.23亿个[2]。国外无线电能传输技术发展比较成熟，已经有部分产品投入市场，韩国科学技术学院（KAIST）在韩国南部的龟尾市推出了一种新型的公交车，可以在改造后的道路上一边行驶一边充电。2014年1月，英国Arriva巴士公司试行了8辆无线充电巴士，每次的充电时间为10分钟，可行驶25公里，9月举行的电动方程式锦标赛上，高通向赛事工作用车提供了无线充电系统Halo[3]。2015年，日本enRoute公司与日本电业工作公司合作开发出了为无人机电池提供无线供电的装置。而国内的研究还处于理论阶段，主要集中于高校和个别科研院所。华北电力大学的张智娟等人设计了磁耦合谐振式无线电能传输系统的软件，可以计算出一定距离下负载功率最大时的系统参数[4]。东北电力大学的李江等人在电源线圈与负载线圈中增加了中继线圈，搭建了一个磁耦合谐振式无线电能传输实验台，实验结果表明:增加中继线圈的数量能够有效地增强空间磁感应强度，对提高传输效率和增加传输距离有显著作用[5]。

1 磁耦合谐振无线能量传输系统模型

2007年，美国麻省理工学院（MIT）教授Marin Soljacic等人发布了磁耦合谐振式无线能量传输技术（MCR-WPT）的研究成果[6-9]。他们的传输结构采用四线圈模式，相隔2.16 m隔空将一只60 W灯泡点亮，如图1所示。

图1 MIT无线电能传输实验装置

从能量传输的观点出发，至少需要2个线圈才能进行无线电能传输。2个谐振线圈的结构，为MCR-WPT的第1种基本拓扑结构，称为两线圈结构[10-12]。另外，在2个谐振线圈的基础上，增加了2个感应线圈，使电源与发射线圈隔离，负载与接收线圈隔离。这种采用4个线圈的结构为MCR-WPT的第2种基本拓扑结构，称为四线圈结构[10-12]。这2种拓扑结构如图2所示。

图2 两种基本结构模型

以两线圈结构为例分析，两线圈结构的MCRWPT的能量流图如图3所示。从能量流动的角度分析，从图3（a）中可以看出，当回路接通，电源给发射线圈供电，且发射线圈发生谐振时，发射线圈中电容的电场能与电感线圈中的磁场能不断地进行交换。而电感线圈中的磁场有一部分传输到接收端的电感线圈，交变的磁场在接收线圈中转变成电能，从而使能量传递到了接收端。同理在接收端，接收线圈也会发生谐振，接收线圈中电容的电场能与电感线圈中的磁场能也在不断地进行能量交换，最终把能量传递到负载。

图3 基本结构等效模型

由基尔霍夫定律，可知：

矩阵形式为：

当发射端与接收端发生谐振时，满足以下条件：

由文献[13]、文献[14]、文献[15]可知

式中μ0为真空磁导率；r1、r2分别为发射端和接收端线圈的半径；n1、n2分别为发射端和接收端线圈的匝数；d为传输距离。

2 磁耦合谐振式无线充电系统电路设计

2.1 电路设计

因全桥逆变电路具有传输功率较高、电路简单、容易实现软开关等优点，因此选择移相全桥逆变电路作为原边逆变器。

由式（7）可知，要提高传输效率，需要增大电路的频率ω、线圈间的互感系数M和负载电阻ZL，减小原边线圈内阻R1和副边线圈内阻R2。

设计原边、副边线圈。要提高系统的传输效率，需要减小原边线圈与副边线圈的内阻，增大原边线圈与副边线圈的互感系数。线圈采用螺旋式机器绕线，减少人工误差。

选择谐振频率。综合考虑逆变电路、控制电路芯片的频率范围及传输功率、效率传输线圈等，选取谐振频率ω为75 kHz。

2.2 电路原理框图

图4 电路原理图

主电路：原边采用功率 MOSFET电子器件IRF8010构成全桥逆变电路，补偿方式采用串并电容谐振补偿方式，副边采用全桥整流电路。

控制电路：采用PWM+PLL控制的方法，PWM控制通过调节供电端占空比稳定输出电压；PLL控制随着占空比的变化调节工作频率保证供电端开关管实现软开关。首先检流器检测原边电流通过比较器后，形成方波信号输入到锁相环电路。PLL锁相环频率跟踪，经逻辑电路处理信号后输出给PWM芯片UC3875的外同步端，调节主电路的工作频率。PWM芯片UC3875的4个输出驱动信号驱动全桥逆变电路。

3 实验与分析

根据以上思路设计并制作了一台功率为5 W的无线充电装置样机，如图5所示。原边采用全桥逆变电路，原边与副边线圈采用螺旋式绕线且匝数为10匝，半径为20 cm。谐振补偿电容C1=C2=15 nF。

图5 谐振式无线充电装置

PWM波形中的out_A、out_C波形如图6所示，两波形中间有死区时间且可调，通过调节上下桥臂之间的死区时间使电路较容易实现软开关。

图6 PWM波形

通过计算得到传输距离与传输效率的关系如图7所示。

由式（7）可知，传输效率与工作频率、互感系数和负载电阻及原边、副边线圈的内阻有关。由图7可以看出在工作频率、负载电阻及原边、副边线圈的内阻一定的情况下，传输效率随着两线圈之间的传输距离增大而减小。在20 cm到60 cm之间保持很高的传输效率；在60 cm之后，由于两线圈之间空气气隙增大，互感系数减小，导致传输效率直线下降。

图7 传输距离与传输效率的关系

4 MCR-WPT发展方向

尽管MCR-WPT技术已经取得了一定的进展，但仍有不少问题尚待解决。

1）系统的MCR-WPT理论还未成形，没有提出一套完整的设计方案。高频功率电源和整流技术仍未有较好的解决，现有的高频电源方案普遍存在效率低下、设计复杂等弊端。补偿电容、电感、谐振频率、功率等参数没有确切的要求、没有行业标准。

2）MCR-WPT技术的实用性。现在的研究多在实验室环境，针对单一负载、单一环境，多是实验室创造的理论环境。面对实际应用中智能化、多负载、复杂环境、移动充电、介质干扰及高效高速充电等问题，还没有很好的解决。

3）MCR-WPT的电磁环境安全问题。MCR-WPT产生的高频强磁场对人体的辐射危害程度、对其他电子设备的影响，以及如何规避可能的危害，降低使用中的风险，还没有一定的硬性规定。

4）无线电能传输追求的最终目标是高效率、长距离和大功率。电动汽车是无线电能传输系统的主要应用领域，高效快速充电、边行走边充电是未来电动汽车发展的一个方向。

5 结 论

文中分析介绍了MCR-WPT的基本结构、工作原理。综述了MCR-WPT技术的应用现状，讨论了该技术待解决的问题及发展趋势。文中优化了线圈，改进了控制电路，设计制作了一台实验样机，并试图在各模块优化的情况下，统筹各部分关系，使系统整体工作在最佳状态。并给出了工作过程及工作波形。结果证明此方法有效，可以得到较高的传输效率。

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Wireless charging system based on magnetic coupling resonance technology

WANG Hui-zhong1，WANG Wen-tao1，LIU Lian-tao1，ZHU Hong-yi2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，SGCC，Gansu Lanzhou 730050，China）

This paper introduces the working principle and the basic structure of magnetic coupled resonant wireless power transmission technology，and puts forward several methods to improve the efficiency.Designed a wireless charging based on magnetic coupling resonance experiment device，and tried to in the optimization of each module，as a whole the relationship between the parts and make the system work in the best state.The main circuit adopts full bridge inverter circuit，the control circuit adopts PWM+PLL，the resonant frequency is 76 kHz，the efficiency is more than 90%.

magnetic coupling；resonance；wireless charging；inverter circuit

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0093-04

2016-02-25稿件编号：201602136

王惠中（1962—），男，甘肃兰州人，硕士，教授。研究方向：自动化仪器仪表、嵌入式开发与应用、智能信息控制等。