具有较高谐振电路品质因数的磁耦合谐振式无线电能传输系统研制

莫云杰 罗文广 谢广明

摘要：基于磁耦合谐振式无线电能传输功率大小随系统谐振电路品质因数变化而变化的特性，提出了一种控制电能传输功率的方法.首先，将磁耦合谐振式无线电能传输系统简化成等效电路；接着，从电路角度对其进行分析和数学计算，得出电能传输功率大小与系统中谐振电路品质因数的关系；然后，通过改变谐振电路品质因数，设计了一种控制电能传输功率大小的方法；最后，通过设计相关实验系统，验证了品质因数可改变系统传输功率大小，为无线电能传输功率大小的控制提供了有效参考。

关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；品质因数

0引言

2007年，美国麻省理工学院的Marin soliacic教授等第一次提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术此后，该技术迅速成为了国内外专家学者研究和关注的热点，并取得了快速发展。

目前国内外学者在磁耦合谐振式无线电能传输技术方面的研究主要还停留在理论研究和实验阶段，且大都只是针对效率、频率的讨论分析和小功率电能传输的实验验证阶段，在传输效率方面的研究，很多学者通过计算机软件仿真以及实验验证的方式，对磁耦合谐振式无线电能传输效率进行了大量的研究，其中传输距离、线圈设计和系统频率成为了效率研究中最受关注的研究内容，在系统频率研究方面，很多学者针对了磁耦合谐振式无线电能传输技术的频率特性和频率分裂特性做了大量的研究，分析了系统频率在磁耦合谐振式无线电能传输过程中对能量传输效率和功率大小的影响，但在当前的研究中，涉及到磁耦合谐振式无线电能传输在功率大小控制方面的成果非常少。

本文在磁耦合谐振式无线电能传输技术功率传输控制方面做了理论分析与优化.在不改变系统工作频率和发射端、接收端线圈形状以及相对位置的情况下，提出了一种通过改变发射端谐振电路串联电阻阻值的方式来改变谐振电路品质因数，进一步改变谐振电路中存储的能量大小，并最终达到控制电能传输功率的方法.并经过试验验证该方法的可行性。

1磁耦合谐振式无线电能传输系统原理分析

磁耦合谐振式无线电能传输是一种基于近场耦合概念的新型无线电能传输技术，图1为磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图。

由图1可知该系统主要包括发射端子系统和接收端子系统.其中发射端子系统主要由发射端LC串联谐振电路和交流电源构成，接收端子系统主要由接收端LC串联谐振电路和负载组成.且其中的两个LC串联谐振电路谐振频率相同.当系统输入的交流电源频率与系统谐振频率一致时，能量在电场和磁场中实现自由的来回振荡.又因为两端谐振电路的谐振频率相同，而且都工作在谐振状态，此时两线圈借助于耦合磁场建立起能量传输的途径，不断地进行磁场能的交换.同时在系统工作时，电阻负载不断地将电能转换为热能消耗，发射端线圈就会不断地向接收线圈传输能量补充负载上的能量消耗，即实现了能量无线传输。

磁耦合谐振式无线电量传输的过程实质是发射端与接收端线圈内存储的能量不断进行交换的过程.而作为接收端子系统的能量源的发射端线圈，其存储的能量多少就会对能量传输功率大小产生重要影响.由串联谐振电路品质因数定义和电感储能公式可知，电感储能与通过电感的电流大小有关，而当谐振电路工作在谐振状态时，电感和电容的串联阻抗理论上为零，因此能限制电路中电流大小的因素就只有发射端谐振电路上串联电阻的阻值.此时保证谐振电路中电感值与电容值不变，串联电阻的阻值就成了唯一影响品质因数的因素.假设发射端谐振电路电源电压为U，则根据公式推导可得到：该式子表明，谐振电路品质因数会影响电感储能情况，品质因数也必将对系统电能传输功率的大小产生影响。

2磁耦合谐振式无线电能传输输出功率和效率

为了便于分析，本文将磁耦合谐振式无线电能传输系统化简成图2所示的电路。

图中，为系统输入电源，其中交流电源角频率w与系统中谐振电路的谐振角频率相同.发射端谐振电路由发射线圈L1、谐振补偿电容C1、串联电阻R串联组成，其中r为发射线圈损耗电阻.接收端谐振电路由接收线圈L2、谐振补偿电容C2、负载电阻Rt串联组成，其中r2为线圈损耗电阻.M为两线圈的互感.

假定发射端和接收端回路电流分别为i1，和i2，依据基尔霍夫电压定律（KVL）列出两回路电压回路方程：

在谐振状态下电感电容串联产生谐振，同时电感损耗电阻相对于整个电路来说可忽略不计.由此上式可简化为：代人回路方程中可解得电流为：

由式（5）和式（6）可知，在线圈及系统谐振频率一定的情况下，Q值是唯一影響系统电能传输功率与效率的因素.而在系统中谐振频率是固定不变的，即电容和电感不变.因此，只有通过在发射端LC谐振电路上串联电阻的方式可以改变谐振电路品质因数.由此拟通过在发射端谐振电路上串联电阻改变电路品质因数的方式来控制系统的电能传输功率。

3实验平台设计

本文设计一套谐振频率为250 kHz实验系统.选用DSP作为该系统主控芯片，DSP输出四路PWM经驱动电路增强驱动能力，接着驱动全桥逆变电路产生频率为250kHz方波交流电源，然后将逆变得到的方波交流电元加在发射端谐振电路上，接收端谐振电路接收到的高频交流电源经过整流桥和滤波电容整流为直流电，为负载供电，系统整体结构图如图3所示，系统实物图如图4所示。

3.1发射端电路设计

系统中DSP作为系统的信号发生源，输出PWM信号，并通过全桥驱动增强信号驱动能力后，驱动全桥逆变电路，产生高频方波交流电。

系统全桥逆变电路的驱动电路原理图如图5所示。

驱动电路的MOS管驱动芯片选用ADI公司生产的型号为ADUM3221ARZ的4A双通道门极驱动器.该驱动器输入端接PWM信号并与DSP共地，输出端将PWM信号转换为高电平12V低电平0V的驱动信号，增强驱动能力.同时在电器上将主电路与DSP相互隔离，既减少了主电路中高频交流电对DSP信号的干扰作用，也保护了DSP不受高压电源损坏。

全桥逆变电路原理图如图6所示，电路选用4个IXYS公司生产的型号为IXFH26N50的N沟道增强型功率MOSFET组成全桥逆变电路，由于谐振电路中存在电感元件，电流不能跳变，电路中每个MOSFET漏源极间反向并联一个续流二极管为谐振电路续流通路。

由于每个MOSFET触发电压参考点不同，系统采用三路独立12 v电压作为全桥逆变电路触发电源，Q1，、Q3分别使用一路触发电源，Q2、Q4参考点相同，使用同一路12v电源触发.

最后，发射端串联LC谐振电路连接在全桥逆变电路输出端.谐振电路中电容的电容值为31.61 nF，自制半径7.5 cm线圈，其电感量为12.82μH。

3.2接收端电路设计

图7所示为接收端电路原理图.

接收端LC串联谐振电路中，线圈半径7.5cm，其电感量为20.08μH，电容的电容值为20.18 nF.谐振电路与整流电路相连接，整流电路由一个整流桥和两个电容值分别为1000μF、10 nF的电容并联构成.高频电源经过整流后得到的直流电源，为负载供电。

3.3DSP控制流程设计

图8为系统中DSP对电能传输控制的软件流程图.

系统上电后，首先，对系统控制寄存器进行初始化设置，包括看门狗设置、PLLCR寄存器赋值、外设时钟预定标寄存器赋值和需要使用的外设时钟进行使能；接着，初始化程序所要用到的自动以变量以及所需GPIO的输入输出模式配置；然后，对DSP定时器和ePWM模块进行初始化，其中ePWM为增强型PWM模块，系统中利用DSP中两个ePWM模块分别控制全桥逆变电路的两路桥臂，通过系统时钟设置两个ePWM模块输出四路带死区的250 kHz的PWM信号，以上设置完成之后DSP使能ePWM引脚输出4路PWM信号驱动全桥逆变电路使得系统进入正常工作状态。

4实验设计与验证

通过系统原理分析与式（5）可以看出，在磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射端和接收端中谐振电路中电容值和电感量不变，同时系统谐振频率和负载阻值一定，且两线圈相对位置固定（互感不变）的情况下，发射端品质因数是唯一影响系统传输功率大小的因素，由于本系统中电源以及电感和电容是固定的，能影响发射端谐振电路品质因数的唯一因素就是谐振电路上的串联电阻.所以根据以上理论推导给出设想：系统其他条件不变的情况下，通过改变发射端谐振电路上串联电阻阻值的方式改变其品质因数，从而增加或减少发射端线圈中存储的能量大小，可实现系统电能传输功率大小的控制。

在实验中，保持电路各个元器件以及电源不变，两线圈始终平行放置且位于同一轴上，改变发射端谐振电路串联电阻的阻值，记录下发射端的输出电流以及接收端负载上的电压，即可计算得到系统的输入功率、输出功率以及传输效率。

实验中分别选取阻值为2.6Ω、3.0Ω、3.5Ω、3.9Ω.、4.3Ω、4.7Ω、5.2Ω、5.6Ω、6.0Ω的电阻作为发射端谐振电路串联电阻，根据品质因数公式求得各个阻值对应的发射端谐振电路品质因数如表1所示。

在实验中，以Q值为自变量，当实验系统在负载分别为102.5Ω、199.5Ω和线圈水平距离分别为5cm、8cm的情况下来测试不同品质因数下系统传输功率以及传输效率的情况.实验结果如图9所示。

图9（a）、图9（b）分别为线圈直线距离为5 cm时，系统为102.5Ω和199.5Ω电阻负载供电的实验结果；图9（c）、图9（d）分别为线圈直线距离为8 cm时，系统为102.5Ω和199.5Ω电阻负载供电的实验结果.通过对实验数據进行分析比较后，发现在不同的负载阻值下品质因数对磁耦合谐振式无线电能传输功率传输大小和传输效率的影响趋势相同.从图9中曲线的变化可以看到，系统在不同的负载和传输距离下，随着发射端谐振电路串联电阻阻值的减小，即发射端谐振电路Q值的增大，系统的能量传输功率随之增大.其次，系统的传输效率也随着品质因数Q值的增大而增大，且效率的变化范围相较于功率的变化要小得多.从而可以得到：磁耦合谐振式无线电能传输在发射端谐振电路中串联电阻的方式，可实现较小范围内改变串联电阻阻值就可以对系统电能传输功率大小进行较大范围内的控制，并且在调节系统电能传输功率时，对系统电能传输效率的影响较小。

5结束语

针对磁耦合谐振式无线电能传输技术，提出了一种通过改变发射端谐振电路串联电阻阻值从而改变该电路品质因数并最终控制系统电能传输功率的方法.在理论分析的基础上，设计了一套基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线电能传输实验平台.通过实验和数据分析比较，验证了理论设想的正确性.这种方法在不改变系统频率和输入电源的情况下可对系统的传输功率进行控制，同时对系统电能传输效率的影响较小，具有较强的实用性。