0 引言

    Nikola Tesla于19世紀(jì)發(fā)明了用于無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)的特斯拉線圈，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸^[1]。雖然傳統(tǒng)的有線電力傳輸能提供更高的效率，但是由于無(wú)線充電更方便、成本更低，近年來(lái)隨著無(wú)線充電技術(shù)逐漸走向成熟，受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用^[2]。從手機(jī)、牙刷充電到電動(dòng)汽車、無(wú)人駕駛飛行器，傳輸功率也從幾瓦特到幾千瓦特不等。

    一直以來(lái)，電動(dòng)自行車都被大家視為新能源出行方式，更是綠色環(huán)保的成熟出行標(biāo)志。因此，近年來(lái)我國(guó)輕型電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)一直保持了80%以上的增長(zhǎng)速度，我國(guó)輕型電動(dòng)車產(chǎn)銷量已經(jīng)占到全球90%以上，成為全球最大的輕型電動(dòng)車生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和出口國(guó)^[3]。但不可否認(rèn)的是，由于充電和續(xù)航的原因，使得燃油類車輛有著看似“無(wú)法被取代”的方式因而一直被視為買車首選。而無(wú)線充電技術(shù)是電動(dòng)汽車充電的理想解決方案，解決了充電不便的問(wèn)題。

    為了能夠提高無(wú)線充電的效率及其穩(wěn)定性，諸多研究人員針對(duì)不同場(chǎng)景提出了不同的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[4]中，錢尼信等人設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線充電的癲癇信號(hào)檢測(cè)器，并具有較高的檢測(cè)精度。文獻(xiàn)[5]中，劉新天等人研究了電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了拓?fù)渑c控制策略，并驗(yàn)證了方案的可行性。文獻(xiàn)[6]中，葉先萬(wàn)等人研究了一種智能無(wú)線充電系統(tǒng)，有利于提高智能穿戴等微型設(shè)備的充電效率與可控制性。

    當(dāng)前由于對(duì)電池的存儲(chǔ)的電量要求較低，無(wú)線充電將特別適用于電動(dòng)自行車，在電動(dòng)自行車逐漸成為消費(fèi)者日常短途出行的重要交通工具的情況下，無(wú)線充電技術(shù)將促進(jìn)電動(dòng)自行車的進(jìn)一步發(fā)展^[7-8]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種為電動(dòng)自行車提供一個(gè)12 V電池充電的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。

1 電磁感應(yīng)充電技術(shù)

1.1 無(wú)線充電技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    無(wú)線充電技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式和無(wú)線電波式3種充電方式，是一種采用非物理接觸進(jìn)行能量傳輸?shù)男滦统潆娂夹g(shù)^[9]，其傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為發(fā)射器、接收器兩個(gè)部分，通過(guò)AD/DC轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器、控制器、整流器等元件實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的無(wú)線充電。

1.2 電磁感應(yīng)式充電原理

    電磁感應(yīng)式無(wú)線充電是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線充電方式，適用于短距離無(wú)線充電，具有較高的傳輸效率。其工作原理主要依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)在發(fā)射端和接收端設(shè)置線圈，其中發(fā)射端線圈與交流電源連接，通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，接收端線圈能夠感應(yīng)到發(fā)射端線圈產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)，產(chǎn)生電流供負(fù)載進(jìn)行充電，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

    本文設(shè)計(jì)面向電動(dòng)自行車的無(wú)線充電系統(tǒng)，可用于家用無(wú)線充電或在外的公用無(wú)線充電站，其中系統(tǒng)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)有一個(gè)充電墊，可以在電動(dòng)自行車停放時(shí)為其充電。發(fā)射線圈將放在地上的一個(gè)墊子上，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將在附在電動(dòng)自行車底部的接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)接收器線圈與整流器相連，為電池提供直流電源。

    其中所選用電動(dòng)自行車電池為12 V 38AH/20HR的鉛酸蓄電池，所需要傳輸距離為100 mm。為提高無(wú)線充電系統(tǒng)充電效率，設(shè)計(jì)系統(tǒng)充電時(shí)長(zhǎng)為6 h，由12 V 38AH/20HR鉛酸蓄電池?cái)?shù)據(jù)表可知，系統(tǒng)需要約14.4 V~15 V的電壓才能滿足充電要求。因此需根據(jù)電壓需求進(jìn)行充電線圈設(shè)計(jì)。

2.2 電磁設(shè)計(jì)

    諧振通過(guò)引入電容元件來(lái)消除電路中電感元件的影響，從而優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除電抗。該技術(shù)具有效率高、傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是最適合用于無(wú)線充電的一種技術(shù)。因此，該系統(tǒng)使用基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電設(shè)計(jì)，這也要求了發(fā)射器和接收機(jī)器線圈以相同的頻率共振。雖然圓形平面線圈在效率和傳輸距離上不是最佳的，但由于其仿真、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，該系統(tǒng)選用圓形平面線圈設(shè)計(jì)^[10]。由于在實(shí)驗(yàn)室中模擬使用，線圈使用絞合配置的銅線，選擇開(kāi)關(guān)頻率范圍為90 kHz~100 kHz，以消除對(duì)磁芯的需求，其中本文設(shè)計(jì)無(wú)線充電系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 電路設(shè)計(jì)

    由于全橋整流電路與半橋整流電路相比效率更高，中心抽頭整流橋更容易實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)接收線圈的高頻交流信號(hào)進(jìn)行整流，產(chǎn)生直流充電信號(hào)。其中全橋逆變器用于將直流輸入轉(zhuǎn)換為高頻交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)線電源傳輸，同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)中使用線性電壓調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)電壓^[11]。

2.3.1 逆變器設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)全橋逆變器用于將直流輸入轉(zhuǎn)換為高頻交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)線電源傳輸，同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗m合高頻、低功耗、短距離應(yīng)用。全橋逆變器使用IRFP260N晶體管，晶體管的額定值為200 V、50 A，晶體管供電電壓為15 V，因此需要晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器。選擇晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓為12 V，輸出電壓為15 V，設(shè)計(jì)逆變器電路圖如圖5所示。

    逆變器包含2個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管。門驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生高低電平兩個(gè)信號(hào)，為避免短路，左右驅(qū)動(dòng)器一次只能打開(kāi)一個(gè)MOSFET，當(dāng)左驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)到MOSFET 1和一個(gè)低電平信號(hào)到MOSFET 2時(shí)，右驅(qū)動(dòng)器將發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)到MOSFET 4和一個(gè)低電平信號(hào)到MOSFET 3。當(dāng)MOSFET 1和MOSFET 4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左到右流過(guò)負(fù)載。當(dāng)切換柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，信號(hào)反轉(zhuǎn)，電流從右向左流過(guò)負(fù)載，MOSFET 2和MOSFET 3導(dǎo)通。通過(guò)快速切換，在輸出端產(chǎn)生交流信號(hào)。

2.3.2 整流器設(shè)計(jì)

    整流器將發(fā)射器的高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電進(jìn)行充電，整流器中使用的二極管需具有3 A最大電流容量。因此，選擇使用1N5401二極管，容量為3 A、70 V，整流器的最大效率為81.2%，需要4個(gè)二極管和0.48的紋波系數(shù)。為了確保紋波被過(guò)濾掉，需要在輸出端連接一個(gè)大電容器，所選電容為100 μF，設(shè)計(jì)所得全橋整流器如圖6所示。

3 ANSYS Maxwell仿真

    ANSYS Maxwell是一款電磁場(chǎng)仿真軟件，用于設(shè)計(jì)和分析電機(jī)、執(zhí)行器、傳感器、變壓器等電磁和機(jī)電設(shè)備。利用ANSYS Maxwell對(duì)線圈進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，確定線圈的自感系數(shù)、線圈間的互感系數(shù)和耦合系數(shù)^[12]。

    發(fā)射器和接收器線圈的設(shè)計(jì)相同，線圈有10圈，線徑為1.41 mm，半徑變化5 mm，線圈外徑為200 mm，線圈內(nèi)徑為100 mm。線圈之間的距離從10 mm~200 mm不等。使用ANSYS Maxwell軟件對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)射器和接收器線圈進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，其仿真模型和計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

    由仿真結(jié)果可知，在50 mm傳輸距離下，發(fā)射器自感系數(shù)為19.54 μH，接收器自感系數(shù)為19.55 μH，發(fā)射器與接收器互感系數(shù)為5.68，線圈之間的耦合系數(shù)為0.291 2。互感系數(shù)和耦合系數(shù)的傳輸距離從10 mm~200 mm不等。仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)線圈滿足要求。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)，完成了電磁和電路兩部分的設(shè)計(jì)，并得到了圓形線圈模型，成功地制造了線圈。利用ANSYS Maxwell仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)線圈進(jìn)行仿真驗(yàn)證，計(jì)算得出發(fā)射器自感系數(shù)為19.54 μH，接收器自感系數(shù)為19.55 μH，發(fā)射器與接收器互感系數(shù)為5.68，仿真結(jié)果表明了線圈設(shè)計(jì)合理可行。

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作者信息:

田小松1，楊  華2，蔡先運(yùn)1，顧  淼3

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義播州供電局，貴州 遵義563000；

2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000；3.珠海黑石電氣自動(dòng)化科技有限公司，廣東 珠海 519000）