一種耦合諧振式無線電能傳輸系統的設計

王 莉

(山西大學物理電子工程學院，山西 太原 030006)

隨著科技的進步，平板電腦、手機等大量的電子產品給我們帶來了便捷的生活。我們的日常生活離不開這些電子產品，但是這些電子產品大多都是通過有線的電源獲取電能。然而，電源線頻繁的拔插很容易損壞，并且需要隨身攜帶電源線以備不時之需。繁瑣的電源線不僅影響設備的靈活性，還一定程度上影響了整體環境的美觀。而無線電能傳輸系統能很好的解決這些問題。無線電能傳輸系統是一種無接觸式電能傳輸系統，它借助于空間磁場將電能從電源端傳遞到用電設備端。在安全性、靈活性和可靠性等方面具有傳統電能傳輸方式無法比擬的優點[1]。

1 耦合諧振式電能無線傳輸系統構成

諧振耦合式電能無線傳輸系統結構圖如圖1所示，電能無線傳輸系統包括發射端和接收端兩大部分。發射端和接收端都是由電感和電容組成的并聯諧振電路。當發射端與接收端處于同一頻率發生共振時，使用高頻功放來激發振蕩電流，再通過發射線圈對外部激發電磁波。這樣就能實現電場能量向磁場能量的轉變。

1.1 多諧振蕩電路的設計

多諧振蕩電路主要產生穩定的方波，提供給高頻功放?？梢詫⑤斎氲闹绷鞣€壓電轉換成高頻的交流電。多諧振蕩電路采用NE555構成的多諧振蕩器來生成1MHz的波形。它是一個占空比可調的多諧振蕩電路，此種振蕩電路參數的設定是非常簡單的，它的頻率調節只需要調節外圍電路的參數即可。

圖1 耦合諧振式無線電能傳輸系統

1.2 高頻功放電路的設計

高頻功放電路是形成高頻的交流電提供給發射線圈。該系統采用MOS管驅動，常用的MOS管為IRF540N，它的驅動能力強，價格便宜。 IRF540作為MOS管是N溝道的，在此電路中作為開關管使用。

1.3 諧振電路的設計

在實際工作電路中發射端和接收端基本上都是采用并聯諧振電路結構，這是因為實際電路中如采用串聯諧振電容的方式，電容上通過的電流很大，實際電路不易實現。而采用并聯諧振電容的方式則相當于對總電流進行分支使電容上承受的電流較小。另一方面采用并聯諧振電容能夠激發出更高能量的磁場，有利于電能的無線傳輸。所以本諧振電路采用并聯諧振電路[2]。

1.4 線圈結構的設計

耦合線圈的形式多樣，根據不同的應用環境和系統設計要求，耦合線圈的結構可分為垂直傳輸型線圈和水平傳輸型線圈兩種。

圖2 垂直傳輸型線圈 圖3 水平傳輸型線圈

垂直傳輸型線圈。對發射與接收端的位置要求嚴格，一旦偏離線圈中心較遠就會導致系統的傳輸特性受較大的影響[3]。而水平傳輸型線圈產生的磁場比較均勻并且具有較好的方向性，非常適宜于磁場傳送電能的系統，同時具有傳輸距離遠和效率高等優點。所以本系統采用水平傳輸型線圈。

1.5 整流電路的設計

濾波電路通常有半波整流、全波整流和橋式整流，由于這三種整流電路中，橋式整流電路轉換效率高，所以本系統選擇橋式整流電路[4]。

2 耦合諧振式無線電能傳輸系統的仿真

為了驗證此耦合諧振式無線電能傳輸系統的正確性，我們使用了Multism軟件進行仿真。通過仿真分析，我們所設計的一款耦合諧振式無線電能傳輸系統成功地點亮了燈泡。我們以上提出的耦合諧振式無線電能傳輸系統是可以實現的。

3 耦合諧振式無線電能傳輸系統的測試

3.1 整體電路圖的測試

信號發生電路接5V的電源U，其中發射與接收線圈之間的距離是可調的，當距離在一定的范圍之內，燈泡一直是亮的。實物圖和測試圖如圖4和圖5。

圖4 實物圖 圖5 實物測試圖

3.2 線圈輸出電壓與η的關系

通過對系統測試，可以得出輸入輸出電壓電流與傳輸效率之間的關系如表1。

表1 輸入輸出電壓電流與效率測試圖

4 結論

針對耦合諧振式無線電能傳輸系統設計復雜問題，設計出了一種結構簡單，易于實現的無線電能傳輸系統，通過仿真和實物的測試，驗證了方案是可行的，達到了無線電能傳輸的要求。