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磁耦合諧振式電能無線傳輸系統的設計與實踐
摘 要：電能無線傳輸技術不依賴于有線的傳輸媒介進行供電，對于有線供電不便的特殊環境有著重要的應用價值。本文以CD4060和L6384D高壓半橋驅動芯片為核心，設計并搭建了無線電能傳輸的SSSP型實驗電路。通過實驗，分析了無線電能傳輸效率與傳輸距離、負載電阻之間的關系，為今后無線電能傳輸的相關研究提供參考，實驗結果表明：四線圈結構的SSSP型無線電能傳輸裝置傳輸效率并不像其他類型傳輸裝置那樣隨距離的增加而減小，而是隨著傳輸距離的增加成倒“V”字形變化。
關鍵詞：電能無線傳輸 拓撲結構 傳輸效率 磁耦合諧振
傳統的電能傳輸通過有線方式進行，該方式會產生線路老化、尖端放電嚴重等不可避免的問題，這對用電設備的可靠性和安全性提出了更高的挑戰。一方面，在一些特殊場合，如礦井、水下、加油站等，傳統電纜線會產生嚴重的安全隱患，并可能造成巨大的經濟損失;另一方面，生活中使用的大量用電設備需電源線，勢必會帶來電線交叉繁雜的不便。
無線電能傳輸技術(WPT)，又稱無接觸能量傳輸(Contactless Power Transmission，CPT)技術，顧名思義，即以非接觸的無線方式實現電源與用電設備之間的能量傳輸。早在1890年，由著名電氣工程師尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla) 提出，因而有人稱他為無線電能傳輸之父;2007年6月麻省理工學院的研究人員已經實現了在短距離內的無線電力傳輸，他們通過電磁感應利用磁耦合共振原理成功地點亮了離電源2m多遠處的一個60w燈泡。
迄今為止，實現無線電能傳輸技術的方式主要有電磁感應式、核磁共振式、輻射式等三種方式如圖1所示。
一、磁耦合諧振的工作原理
磁耦合諧振式無線輸電是非接觸式無線能量傳輸方式的其中一種，該方式的特別之處在于共振環節中的兩個共振線圈會發生高頻自激振蕩，使線圈的回路阻抗為最小值，從而使大部分能量在諧振的路徑上傳遞。
一個完整的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統如圖2所示，除兩個發生自激振蕩的開路線圈外，還必須有帶有發射線圈的高頻發射功率源和帶有接收線圈的接收功率設備。
圖2中，高頻振蕩電路用于控制諧振頻率;由于振蕩電路的驅動能力很弱，需要用高頻功率放大電路驅動后面用于電磁交換的空心線圈 ;空心線圈 能將電能轉化為磁場能，并將其感應到與他相鄰的發射線圈 上;高頻共振環節是實現能量無線傳遞的發射線圈 和接收線圈 。電阻用于測量電流;負載回路中的將磁場能轉化為電能。為了減少接收線圈 自激振頻率受到負載回路電抗的影響， 的感抗應該盡量小，負載回路可認為是純電阻回路，它反射到線圈 的阻抗即為純電阻，單匝線圈 從線圈 上感應到的能量給負載 供電，從而完成整個能量的無線傳輸。
1、磁耦合諧振無線電能傳輸基本諧振拓撲結構
磁耦合諧振無線電能傳輸技術通常需要對發射端和接收端繞線電感進行補償，根據發射端補償環節接收端補償環節結構的不同，可分PSSS，PSSP，SSSS，SSSP這4種拓撲結構，如圖3所示。其中， (Parallel)代表并聯型補償， (series)代表串聯型補償。圖中， 為電壓型磁共振電能傳輸系統經過高頻逆變電路之后的等效電壓源; 為電流型磁共振電能傳輸，系統經過高頻逆變電路之后的等效電流源; 、 分別為共振線圈1和共振線圈2的電感; 分別為發射端和接收端電感 的補償電容; 分別為發射端和接收端的等效串聯電阻; 分別為共振線圈1，2的等效串聯電阻; 為負載; 為接收端到共振線圈2的反射阻抗; 為共振線圈2到共振線圈1的反射阻抗; 為共振線圈1 到發射端的反射阻抗; 為發射端和共振線圈1之間的互感系數; 為兩共振線圈之間的互感系數; 為共振線圈2和接收端之間的互感系數。
諧振電容實際是通過多個電容并聯達到所要用到的值，由于每個電容電感都不是完全相同，所以最終計算出來的諧振頻率也并不一致，但基本保持256KHz。實驗中各個主要元件的相關參數如表1所示。
發射模塊原理如圖4所示，本設計采用15V直流電源供電，晶振電路產生8.192MHz頻率方波信號，通過CD4060芯片5分頻后產生256KHz的頻率脈沖，由于該脈沖的驅動能力弱，這里采用了L6384D高壓半橋驅動芯片進行驅動。該芯片產生的兩個獨立電位，分別控制功率場效應管工作來產生交變信號，通過串聯諧振電路發射能量。
實驗裝置如圖6所示，利用晶振電路產生256KHz的高頻信號，采用15V直流電源供給發射模塊(5)，通過高壓半橋驅動芯片進行驅動，在發射線圈(1)上具有一定功率的正弦電磁波，經過共振線圈(2)將能量傳遞到共振線圈(3)上，接收線圈(4)接收共振線圈(3)上的能量，經過接收模塊(6)供給負載(7)使用。這里的4個線圈直徑均為20cm，共振線圈(3)由細銅線繞制而成，其他3個由粗銅線繞制而成。
二、實驗與分析
為保持4個線圈都在通一條直線上，在實驗臺上貼了黑膠帶，另用黑膠帶對線圈進行固定，防止因線圈的晃動對實驗結果的產生干擾。發射線圈(1)共振線圈(2)之間的距離和共振線圈(3)接收線圈(4)均保持在D=10cm，共振線圈(2)和共振線圈(3)之間的距離記為S，當負載阻值R為10Ω時，從S=5cm開始實驗，每隔5cm測一組數據，總共測6組。同理對負載阻值R為20Ω、30Ω時進行實驗。
通過信號發生器直接讀出供給的電流值和電壓值，用萬用表測量出流過負載的電流和負載兩端的電壓。利用公式分別求裝置的出輸入功率和輸出功率，利用公式求出裝置的傳輸效率。實驗數據分別如表2、表3和表4。
從以上實驗得出：負載R相同的條件下，隨著距離S的增加，傳輸效率先增大后迅速減小;距離較近時，傳輸效率處在一個比較高的水平上;距離較遠時，傳輸效率很低，基本處于難以有效利用狀態。距離S相同的條件下，隨著負載R的增加，傳輸效率也會有增加，但后期效果不明顯。
三、結語
采用四線圈結構磁耦合諧振無線電能傳輸裝置的設計，相比兩線圈結構，很大程度的隔離了電源和負載對諧振線圈的影響，傳輸距離和傳輸效率也有了進一步的提升。目前，磁耦合諧振式無線電能傳輸正在得到更多、更深入的研究，裝置的傳輸距離、傳輸效率和裝置小型化等方面還有待解決，相信不遠的將來，利用磁耦合諧振式無線傳輸技術的產品會逐漸普及。
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