双模式可调的无线电能传输*

胡济宇，季涛，邹儒佳

(1.华东师范大学第二附属中学，上海201203;2.上海工程技术大学基础教学学院，上海201620; 3.东华大学材料科学与工程学院，上海201620)

双模式可调的无线电能传输*

胡济宇1，季涛2，3，邹儒佳3*

(1.华东师范大学第二附属中学，上海201203;2.上海工程技术大学基础教学学院，上海201620; 3.东华大学材料科学与工程学院，上海201620)

从实际应用出发，设计出了一种可调频率、可调占空比的磁共振式无线充电装置，该装置具有电能转化效率最高模式和充电输出功率最大模式双重功能。在触发信号与LC振荡回路共振时，占空比对充电模式起了决定性作用。在额定输入电压下，占空比在0.20～0.35范围内，装置的电能转化效率最大;占空比是0.6时，装置的输出功率最大。

无线充电;双模可调;占空比;磁共振

无线电能传输技术，由于充电器和用电器之间不用电线连接，从而避免了频繁插拔接头以及潜在触电的危险。它具有可靠性高、安全性好、操作方便、适应性强等特点，且易于实现自动充电。因而，无线电能传输技术受到科技领域的广泛关注［1-4］。电场具有和磁场理论上相同的对偶性，近年来国内外很多研究机构开展了电场耦合型无线电能传输的研究。日本株式会社村田和重庆大学都开展了电场耦合的理论研究［5-9］，但尚未成熟。电感耦合型无线传输技术应用比较广泛，主要有磁感应和磁共振两种类型［10］。近几年，无线电能传输无论是在技术创新还是在应用推广上都有较大发展［11-12］。但有关占空比对充电模式的影响未见报道。

本研究设计出可调频、可调占空比方波形的磁共振式无线充电装置。旨在探索触发信号频率和占空比对无线充电效率的影响，重点研究方波信号作为激励共振源时，不同占空比对电压和电流的变化产生的影响。该工作可为无线充电研究提供理论指导和技术支持。

1 无线电能传输电路设计

磁共振式也称为近场谐振式，利用发射端和接收端的LC电路形成共振，就可以交换彼此的能量。发射端的电感L和电容C构成了一个谐振发射电路，向周围空间发出非辐射交变磁场;接收端采用相同的电感L和电容C构成接收器谐振电路。当两个谐振频率相同时，接收电路与发射电路产生强磁耦合，即可形成无线电能传输。

信号放大电路的设计和构建是利用三极管的电流放大功能，将信号发生器提供的触发信号波形放大至所需功率或电压，如图1所示。VCC为放大电路的供电电源(能量的来源)，大小为12 V。信号发生器(VC2002)的触发信号从图1中“小信号输入”输入端输入，可提供可调频、可调占空比的方波，控制功率开关器件(IRF540N)的开启和关闭，进而给LC电路充能。发射端的LC回路由耦合电感Lp和补偿电容Cp组成，其频率可通过f0=1/2π得到。

图1 信号放大电路

调节触发信号的频率，使得LC振荡电路的频率与触发信号形成谐振。发射端的线圈Lp发射出的交变磁场，则会引起接收端LC电路共振，在接收端电容Cp的两端产生“高频交流输出”(余弦波)，从而达到共振并彼此交换能量。LC振荡电路中一个周期可分为:电容充电、电感充能、电容反向充电以及电感反向充能4个阶段，其电流和电压呈周期性变化。

接收端利用AC-DC变换模块，将接收到的交变电能转换为直流电能。借助示波器和万用表，检测接收端处AC的波形图以及输出DC功率随着触发频率的变化情况。当触发信号的波形和占空比发生改变时，观察LC振荡电路中信号最强位置，确定两种模式下的最优占空比。

图2 发射端和接收端的LC振荡电路

2 结果与分析

实验中采用VC2002函数发生器，提供方波触发信号;利用万用表辅助检测发射端和接收端的电流和电压值得到功率值;示波器Victor1025A跟踪检测触发信号的频率和波形。在LC回路中，电容Cp为0.01μF，发射线圈和接收线圈均为自绕线圈，匝数为44圈，直径为10 cm。根据示波器的跟踪发现，LC电路固有频率(fLC)约为78 kHz。

2.1 频率对充电效率和功率的影响

电路共振时，电路中可达成最大的能量传输。为了探索该装置的电能传输中的频率对充电效率和功率的影响，这里测试了在占空比一定时，装置的转化效率和输出端的直流功率输出随着触发频率的变化。如图3所示，测试波段是在10 kHz～120 kHz之间，负载电阻为200Ω。可以看出，转化效率(黑色)和输出功率(红色)随触发频率的变化趋势大致相同。当激发频率在78 kHz、39 kHz和26 kHz附近时，电路的转化效率和输出功率都出现了极大值。其中LC振荡电路频率和激发频率(78 kHz)一致时，转化效率最高。

图3 转化效率(黑色)和输出功率(红色)随触发频率的变化

当触发信号的周期是LC振荡电路周期的整数倍时(频率的倒数)，电能传输的转化效率和输出功率均达到极大值。原因是在触发信号的一个周期内，就形成了LC振荡的整数倍谐振。激发信号对LC电路的一次充能，为LC电路接下来的整数倍周期振荡提供能量(如39 kHz和26 kHz)，这时也会达到较高的能量转化效率，但对应的输出功率会小于激发频率为78 kHz时的输出功率。由此可知，在LC振荡电路频率和激发频率(78 kHz)一致时，转化效率和输出功率都最高。

2.2 占空比对充电效率和功率的影响

占空比是方波信号中方波开通时间占整个周期时间的比率。在激发信号与LC电路形成共振时，方波开通时间就是为LC电路充能时间。LC振荡电路有电容充电、电感充能、电容反向充电以及电感反向充能4个阶段。激发信号充能时间的跨越范围直接影响了LC振荡电路周期的完整性。

为了探索占空比的影响，在触发信号频率为78 kHz(共振)、负载为200Ω时，研究了不同的占空比下装置的转化效率和接收端的输出功率，如图4所示。研究发现，占空比对电能传输的影响比较明显。当占空比为0.20～0.35时，转换效率最高，但此时接收端的输出功率不大;当占空比为0.35～0.60时，转化效率随之降低，而接收端的输出功率变大;当占空比大于0.6时，转化效率和输出功率都降低。

图4 78 kHz下转化效率(黑色)和输出功率(方块)随占空比的变化

占空比过小，LC电路蓄能不充分，这样就达不到所需的功率;占空比过大，放大器件的开启时间过长，电能消耗过多，多余的能量由热能放出。图5和图6分别是当占空比为25%和60%时，触发信号(黑色)和接受信号(方块)随时间的变化。在图5中可以发现，触发信号在一个周期的电容充电阶段(第1阶段)，给发射电路的LC电路充电，同时给电容和电感充电，激发能量终止后，电感持续给电容充电，达到振荡信号的极大值，后面的剩余3个过程则由LC电路自振完成，这时能量得到极大的利用。但在激发信号过多时，在图6中发现，当触发信号过大时(60%)，充能开启时间跨越了电容充电和电感充能两个阶段，虽然输出端的输出功率比较大，但放大器件的开启时间过长，纯电阻电能消耗过多，效率相对较低。由此可以发现，在共振下，转化效率和输出功率不能随占空比同时达到极值，当占空比为0.20～0.35时，转化效率最高，而在占空比为0.6时，输出功率最大。

图5 78 kHz下，占空比为25%时，触发信号(黑色)和接受信号(红色)随时间的变化

图6 78 kHz下，占空比为60%时，触发信号(黑色)和接受信号(红色)随时间的变化

2.3 谐振时输入功率和输出功率的关系

两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定距离时，由于线圈谐振和磁场强耦合会形成能量分布不均匀。在强耦合作用下空间磁场分布将被改变，能量根据耦合程度重新分配。这里研究了在激发信号与LC电路形成共振时，输入功率和输出功率在外加负载作用下的变化情况，进而推出能量分布。

图7所示为当两组线圈距离很小时，输入功率和输出功率随外加负载电阻的变化(包含线圈内阻)。在外加电阻为200Ω附近时，输出功率最大，而输入功率最小，因此相应的转化效率比较大。没加负载或者负载电阻很小时，输入功率反而比较大;当输出功率最大时，输入功率却出人意料地降低了。发射功率(输入功率)随着负载的增加先减小后增大，但接收端效率会随着负载的增加而先增大后减小。其原因可能是谐振把能量分布进行了重新分配，减少了对外辐射。据此可进一步探讨和研究辐射小转化效率高的无线电能传输。

图7 输入功率(黑色)和输出功率(红色)随负载电阻的变化

3 结论

本论文设计出了可调频、可调占空比的磁共振式无线充电装置，该装置具有多功能性，可根据实际需求，设置电能转化效率最高模式和充电输出功率最大模式。其中谐振频率和占空比是影响无线能量传输系统性能的主要参数，触发信号的周期是LC振荡电路周期的整数倍时，电能传输的转化效率和输出功率出现极值。在共振下，转化效率和输出功率不随占空比同时达到极值，当占空比为0.20～0.35时，转化效率最高，而当占空比为0.6时，输出功率最大。由此可见，通过调节占空比就可实现两种功能模式的转化。另外，在强耦合作用下，磁场能量会根据两组线圈耦合程度重新分配，减少了其他方向上发射的能量损耗。该工作可为无线电能传输研究提供理论指导和技术支持。

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邹儒佳(1982-)，男，汉族，安徽芜湖人，东华大学材料科学与工程学院副研究员，硕士导师，研究方向为光电器件和薄膜柔性器件等，rjzou@dhu.edu.cn。

Dual-M ode Adjustable W ireless Power Transm ission*

HU Jiyu1，JITao2，3，ZOU Rujia3*

(1.No.2 High School Attached to East China Normal University，Shanghai 201203，China; 2.School of Fundamental Studies，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China; 3.College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

For the practical application，we designed the magnetic resonance wireless charging equipment with an adjustable frequency and an adjustable duty ratio.The equipment has demonstrated two functions，i.e.，the highest energy conversion efficiencymode and the chargingmaximum output powermode.Under the resonance of the trigger signal and LC tank，the duty cycle of trigger signal played a decisive role in the chargingmode.Under rated input voltage，the energy conversion efficiency of the device is the largestwith the duty ratio in the range of0.20 to 0.35; under the duty ratio of 0.6，the output power of the device is greatest.

wireless power transmission;dual-mode adjustable;duty cycle;magnetic resonance

C:5140

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.042

TM 15;TM 910.6

:A

:1005－9490(2017)01－0224－04

项目来源:高等学校博士学科点专项科研基金项目(新教师类20130075120001);教育部科学技术研究重点项目(313015)

2016-01-17修改日期:2016-03-02