一种耦合谐振式无线电能传输系统的设计

王 莉

(山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006)

随着科技的进步，平板电脑、手机等大量的电子产品给我们带来了便捷的生活。我们的日常生活离不开这些电子产品，但是这些电子产品大多都是通过有线的电源获取电能。然而，电源线频繁的拔插很容易损坏，并且需要随身携带电源线以备不时之需。繁琐的电源线不仅影响设备的灵活性，还一定程度上影响了整体环境的美观。而无线电能传输系统能很好的解决这些问题。无线电能传输系统是一种无接触式电能传输系统，它借助于空间磁场将电能从电源端传递到用电设备端。在安全性、灵活性和可靠性等方面具有传统电能传输方式无法比拟的优点[1]。

1 耦合谐振式电能无线传输系统构成

谐振耦合式电能无线传输系统结构图如图1所示，电能无线传输系统包括发射端和接收端两大部分。发射端和接收端都是由电感和电容组成的并联谐振电路。当发射端与接收端处于同一频率发生共振时，使用高频功放来激发振荡电流，再通过发射线圈对外部激发电磁波。这样就能实现电场能量向磁场能量的转变。

1.1 多谐振荡电路的设计

多谐振荡电路主要产生稳定的方波，提供给高频功放。可以将输入的直流稳压电转换成高频的交流电。多谐振荡电路采用NE555构成的多谐振荡器来生成1MHz的波形。它是一个占空比可调的多谐振荡电路，此种振荡电路参数的设定是非常简单的，它的频率调节只需要调节外围电路的参数即可。

图1 耦合谐振式无线电能传输系统

1.2 高频功放电路的设计

高频功放电路是形成高频的交流电提供给发射线圈。该系统采用MOS管驱动，常用的MOS管为IRF540N，它的驱动能力强，价格便宜。 IRF540作为MOS管是N沟道的，在此电路中作为开关管使用。

1.3 谐振电路的设计

在实际工作电路中发射端和接收端基本上都是采用并联谐振电路结构，这是因为实际电路中如采用串联谐振电容的方式，电容上通过的电流很大，实际电路不易实现。而采用并联谐振电容的方式则相当于对总电流进行分支使电容上承受的电流较小。另一方面采用并联谐振电容能够激发出更高能量的磁场，有利于电能的无线传输。所以本谐振电路采用并联谐振电路[2]。

1.4 线圈结构的设计

耦合线圈的形式多样，根据不同的应用环境和系统设计要求，耦合线圈的结构可分为垂直传输型线圈和水平传输型线圈两种。

图2 垂直传输型线圈 图3 水平传输型线圈

垂直传输型线圈。对发射与接收端的位置要求严格，一旦偏离线圈中心较远就会导致系统的传输特性受较大的影响[3]。而水平传输型线圈产生的磁场比较均匀并且具有较好的方向性，非常适宜于磁场传送电能的系统，同时具有传输距离远和效率高等优点。所以本系统采用水平传输型线圈。

1.5 整流电路的设计

滤波电路通常有半波整流、全波整流和桥式整流，由于这三种整流电路中，桥式整流电路转换效率高，所以本系统选择桥式整流电路[4]。

2 耦合谐振式无线电能传输系统的仿真

为了验证此耦合谐振式无线电能传输系统的正确性，我们使用了Multism软件进行仿真。通过仿真分析，我们所设计的一款耦合谐振式无线电能传输系统成功地点亮了灯泡。我们以上提出的耦合谐振式无线电能传输系统是可以实现的。

3 耦合谐振式无线电能传输系统的测试

3.1 整体电路图的测试

信号发生电路接5V的电源U，其中发射与接收线圈之间的距离是可调的，当距离在一定的范围之内，灯泡一直是亮的。实物图和测试图如图4和图5。

图4 实物图 图5 实物测试图

3.2 线圈输出电压与η的关系

通过对系统测试，可以得出输入输出电压电流与传输效率之间的关系如表1。

表1 输入输出电压电流与效率测试图

4 结论

针对耦合谐振式无线电能传输系统设计复杂问题，设计出了一种结构简单，易于实现的无线电能传输系统，通过仿真和实物的测试，验证了方案是可行的，达到了无线电能传输的要求。