新型无线电能传输系统设计

田俊琦，秦会斌，秦 晋

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所， 浙江 杭州 310018）

0 引言

无线电能传输技术的迅速发展为人们的生活带来了很多方便，例如人们可以不使用电源线来对手机、电脑进行充电[1]，只需要将手机、电脑等电子产品放在无线充电接触板上就可以进行充电，提升了使用体验，也为其他很多领域的技术发展带来了推动力[2]。

随着用电器功率的增加和应用场景的拓展，无线电能传输系统的设计要考虑更多的问题，如今研究的关键问题是系统的传输效率和传输功率[3]。 目前的主要应用场景是大型用电器无线输电领域，这种场景对无线电能传输系统要求的大方向是大功率和高效率，但是现在国内外的研究成果还达不到这种要求。 因此需要对该技术进行更加全面地探索，包括对工作频率的选择、电路拓扑的选择、传输线圈的优化等[4]。其次是系统稳定性，当用电设备发生偏移时，系统的传输参数就会发生变化，导致耦合系数降低，影响传输效率，对此可以设计具有较强抗错位能力的线圈结构[5～7]。

本文利用磁耦合谐振式无线电能传输技术，研制了一台新型无线电能传输系统，试验结果表明本系统具有大功率、高效率等优点，具有良好的应用前景。

1 磁耦合谐振式无线电能传输原理分析

无线电能传输技术的综合性非常强，属于电磁场、电力电子等多学科的交叉，该技术又有多个分支，分别体现出不同的系统特性。 应用合理的数学模型来对系统参数进行分析是系统进行实际应用的前提，本文采用电路理论对磁共振耦合式无线电能传输系统进行建模，为进一步研究做好准备。

这里采用等效电路理论分析无线电能传输系统，等效电路模型为图1 所示的串-串拓扑结构。图1 中，VS为系统供电电源，L1（2）为发送（接收）线圈自感，M为发送线圈与接收线圈之间互感。RS为电源内阻，R1（2）为发送（接收）线圈寄生电阻，RL为负载电阻。

图1 等效电路模型Figure 1 Equivalent circuit model

假设系统在角频率为ω 的条件下工作，根据基尔霍夫定律，该等效电路应满足公式（1）所示关系。

将发送线圈阻抗与接收线圈阻抗分别表示为Z1与Z2，具体计算如式（2）所示。

对公式（1）进行求解，分别得到发送线圈和接收线圈电流表达式，如式（3）所示。

目前电源电压以及接收端负载电阻已知，两个回路电流大小已求出，根据欧姆定律推导式可得发送端的输入功率Pin以及接收端的输出功率Pout，分别如式（4）和式（5）所示。

根据对无线电能传输系统中传输效率的定义，得到图1 中系统的传输效率η 为：

在谐振系统收发线圈处于谐振工作状态，其系统工作频率即输入电源频率等于自谐振频率。此时有jωL1+1/jωC1=jωL2+1/jωC2=0， 那么我们可以对回路阻抗Z1，Z2进行简化， 得到系统处于谐振工作系统时能量传输效率为：

其 中，Q1（2）为 发 送（接 收）线 圈 品 质 因 数：Q1=ωL1/（R1+RS），Q2=ωL2/（R2+RL），k=为线圈之间的耦合系数。可以看出，想要提高传输效率，需要调节互感M，收发线圈品质因数Q1和Q2。

本次设计的收发线圈假设完全相同， 即有L1=L2，R1=R2=R， 此时Q1和Q2的影响因素主要为等效串联电阻R和负载RL。因此本次设计主要通过增大线圈间互感M和减少等效串联电阻R来提升效率。

2 线圈结构优化设计

2.1 导线选取

高频交流线圈中存在明显的趋肤效应，在线圈导线的中心由于高频磁场产生的感应电流会抵消原有励磁电流，导致线圈导线横截面上的电流分布不均匀，即线圈导线表面分布的电流密度要大于导线中心分布的电流密度，有效截面积变小，交流电阻增大。 线圈交流电阻直接影响线圈品质因数，且其与系统的失谐因子有关，因此线圈结构设计直接影响了系统的输出功率与传输效率。

利兹线是由多股漆包线并联绕制的，其有效表面积远大于普通单芯导线， 能够有效抑制趋肤效应，适用于大部分场景。但是本系统设计电流较大，为了保证安全性及稳定性，应选用性能更好的线圈材料。 考虑到铜管不但能够抑制趋肤效应，还能保证大电流时的稳定性，因此选用价格较高的铜管来绕制线圈，如图2 所示。

图2 绕制线圈的铜管Figure 2 Copper tube with coil

2.2 线圈结构选取

磁耦合谐振式无线电能传输中耦合线圈最常见的结构为方形和圆形。 为了选取适用于大功率、高效率的无线充电线圈结构，采用Maxwell 有限元仿真软件对两种线圈结构在相同电流激励条件下的磁场分布情况进行分析， 仿真结果如图3 所示。从图3 可以看出，由于直角结构的存在，采用矩形结构，磁场分布在四边，避免了相互屏蔽抵消从而使磁场更加集中。根据本次设计所运用场景的实际情况， 矩形线圈结构能够更好地利用耦合面积，覆盖更大的区域，防止当接收线圈在磁场发射区域外时产生磁场导致相互抵消而减弱和磁通量减少的情况，以及增强了在发射接收线圈有错位时接收功率的稳定性。因此本文在设计时选用矩形结构耦合发射线圈。

图3 矩形和圆形结构耦合发射线圈磁感应强度幅值分布Figure 3 Amplitude distribution of magnetic induction intensity of coupling transmitter coil with rectangular and circular structure

2.3 矩形线圈长宽比优化

分析矩形线圈长宽比对系统性能的影响，在每一组线圈中，接收线圈具有相同的尺寸，发送线圈的长宽比作为变量。其中，接收线圈长宽为600mm，发送线圈长宽比m=l/w，宽度w=600mm，每组中发送线圈和接收线圈的垂直距离为300mm，长宽比与耦合系数的关系曲线如图4 所示。

图4 矩形线圈的长宽比对耦合系数的影响Figure 4 The influence of the aspect ratio of the rectangular coil on the coupling coefficient

从图4 中可以看出，当长宽比减小时耦合系数减小；当长宽比增加时，耦合系数急剧增加，当长宽比增大至1 后耦合系数增长率降低。随着长宽比进一步增加，其值大于2 后，耦合系数变化逐渐平缓。可以看到线圈长宽比与耦合系数的增加并不成比例增加，存在饱和特性。 基于此，本文采用600mm×600mm，长宽比为1∶1 的二次线圈结构，以保证大功率无线电能传输系统有较高的耦合系数。

2.4 确定线圈参数提升传输效率

对于线圈等效串联电阻R，它主要包括欧姆损耗电阻R0和辐射损耗电阻Rr两部分。 其中辐射损耗电阻较小，相比欧姆损耗电阻可以忽略，所以线圈等效串联电阻可以用欧姆损耗电阻R0来近似表示。 对于如图5 所示的方形螺旋线圈：

图5 平面螺旋方形线圈模型Figure 5 Planar spiral square coil model

式中，l、a 分别为导线长度和导线截面半径；σ为导线电导率， 铜导线导电率为σ=5.8×107S/m；μ0为真空或空气磁导率，μ0=4π×10-7H/m；ω 为系统谐振角频率，ω=2πf，f 为系统谐振频率。

由式（8）可以看出，保持线圈导线截面半径a以及谐振频率f 不变的情况下，线圈等效串联电阻R 只与线圈匝数N 和线圈边长d 有关。所以调节等效串联电阻R 来提升效率就可以等效为调节线圈匝数N 和线圈边长d 来提高效率η。

对于如图5 所示的两个规格完全相同、同轴平行的平面方形线圈，互感M 可以表示为：

式中，N 为两线圈匝数，d 为两方形线圈边长，D 为两线圈间距。 可以看出，线圈互感M 与线圈匝数、线圈边长和线圈间距有关。 在线圈间距和线圈边长已经确定的情况下，可以通过选取最佳线圈匝数来提升互感，从而提高传输效率η。

在固定传输距离D=40cm 的情况下，画出系统传输效率与线圈匝数的关系曲线，如图6 所示。

图6 中可以看出，总体上系统传输效率随着匝数的增加而提升，最终会达到最高。 在线圈边长已经确定为60cm 的情况下， 可以看出在匝数为10的时候系统传输效率已达到90%。 综合考虑成本、线圈内阻等因素，确定本次设计的线圈匝数为13。

图6 系统传输效率与线圈匝数的关系Figure 6 The relationship between the system transmission efficiency and the number of coil turns

3 整体系统电路设计

3.1 整体电路框图

基于磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统由整流滤波电路、全桥逆变电路、驱动电路、控制电路、信号反馈互感器、谐振电容、发射线圈、接收线圈以及负载组成。 系统框图如图7 所示。

图7 整体电路系统框图Figure 7 Block diagram of the overall circuit system

3.2 全桥逆变电路设计

全桥逆变电路是磁耦合谐振式无线输电技术高频逆变电路的一种，它将经过整流滤波的直流电转化为特定频率的交流电，它是整个无线充电系统的核心环节， 直接影响着系统的传输功率和效率。为了满足本文2kW 的设计要求， 所设计的全桥逆变电路如图8 所示。 该电路具有效率高、损耗小和抗干扰能力强等优点。

图8 全桥逆变电路Figure 8 Full-bridge inverter circuit

系统在工作时，电压会瞬间上升到很高。 为了保护开关管不被击穿以及防止瞬间的高压损坏全桥，用到了瞬态抑制二极管。 这种二极管能在极短的时间内承受很高的反向电压冲击，使两极间的电压钳位于特定电压，避免后续的电路受到反向电压的冲击。栅极上串联的电阻是为了改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡； 为了加速IGBT 关断，在电阻上并联了肖特基二极管。

3.3 驱动电路设计

驱动电路作为控制电路和全桥电路的中间环节，将控制系统所发出的信号进行放大，使其具有足够大的功率来驱动开关管工作。 由于全桥拓扑中每路桥臂包含一个上臂开关管和下臂开关管， 它们的源极并不共地，因此控制模块输出的PWM 无法正常驱动开关管进行工作， 必须通过驱动模块提高其驱动能力。 本文采用电流放大芯片UCC27423 外接图腾柱的方式来驱动IGBT。 其电路结构如图9 所示。

图9 驱动电路Figure 9 Drive circuit

3.4 控制电路设计

控制电路是整个电路的核心部分，本文采用一些逻辑器件来实现对系统工作的控制。它由限幅电路和过零检测、灭弧电路、启动与停止电路和过流保护电路组成，其框图如图10 所示。

图10 控制电路框图Figure 10 Block diagram of the control circuit

4 实物搭建与测试

在前文设计的基础上，搭建了一台谐振式无线电能传输系统，如图11 所示。系统包括整流滤波电路、全桥模块、驱动控制电路、继电器、谐振电容、灭弧电路以及无线输电线圈。整流滤波电路和全桥模块固定在散热片上，驱动控制电路通过GDT（栅极驱动变压器）连接着全桥模块；灭弧电路与驱动控制电路通过光纤相连， 继电器起到了缓冲的作用。将整个系统固定在亚克力板上，便于调试和移动。

图11 无线电能传输系统实物图Figure 11 Physical map of wireless power transmission system

发送线圈与接收线圈之间用长度为40cm 的圆管固定，传输距离即为40cm。本次实验的负载为10 个额定功率为200W 的灯泡。 给系统接上电源，调节灭弧的脉宽和频率旋钮， 当调节到一定值时，灯泡开始亮起；继续调节旋钮直到最大，可以观察到10 个灯泡的亮度达到很高，如图12 所示。

图12 系统测试图Figure 12 System test chart

分别用万用表和钳流表测得输出端的电压和电流有效值，分别为194V 和10.57A，同样测得输入端的电压和电流有效值分别为230V 和10.47A。公式计算输出和输入功率分别为：

可以看出， 输入功率达到了系统设计的要求。计算系统的传输效率为：

线圈传输效率达到系统的设计要求。

5 结语

本文提出了一种新型无线电能传输系统的设计方法。 对于无线电能传输原理进行分析，通过仿真优化线圈的方式来提高系统的传输效率，选取长宽比为1∶1 的方形线圈。 对系统的硬件电路进行设计优化，包括了逆变电路、驱动电路与控制电路。试验结果表明本文设计的无线电能传输系统功率大、效率高、性能稳定，可适用于汽车无线充电等场景，具有很好的实用价值。