磁耦谐振无线输电系统的设计

王述宇++傅俊++刘轩昂

摘 要本文介绍了一种小功率无线输电装置的设计。系统采用磁耦合谐振的方式进行无线输电。文中介绍了该系统的结构及实现，对发射线圈与接收线圈的距离变化对输电功率的影响进行了讨论。以蓝牙音箱为负载进行了测试，测试结果表明，当音箱音量发生变化时，无线输电装置的传输效率能够满足负载要求。

【关键词】无线输电 谐振 磁耦合

近年来，电子技术快速发展，无线充电技术逐渐成为研究热点。无线充电无需充电接口机械接触，提高了充电的便捷性，也提高了充电设备的使用寿命。目前无线充电技术普遍存在的问题是充电距离近，传输功率低等不足。本课题设计了一种无线输电装置， 以音箱为负载，研究了发射和接收线圈在不同距离情况下的输电效率。

1 无线输电系统的设计

1.1 系统总体结构

系统总体结构如图1。电网中的工频电经整流滤波得到直流电，将其进行高频逆变得到高频交流信号。高频交变电流送入发射线圈，在线圈中产生高频交变的电磁场，通过电磁感应在接收端的接收线圈中产生同频率的交变电流，从而实现无线传输电能的目的。该交变电流在接收端中产生相同频率的交变电磁场，通过调整线圈，使的两者振荡频率相同，故两者产生共振作用，使能量的传递作用得到加强。最终电能从发送端通过电磁耦合方式传送到无线供电接收端。

系统分为电能发射部分，无线互感部分，电能接收部分三大模块。无线互感部分通过两个结构和形状相同的线圈实现，为保证能量的最大传输，必须调整两个线圈使得线圈尽量对准。

1.2 发射电路设计

发射电路主要包括降压电路、逆变电路、主控电路、发射线圈等。系统先通过降压电路将220V市电转变为低压交流电，经整流后输出5V直流电。

主控芯片采用XKT-408及T5336集成芯片。XKT-408对整流后的直流电进行高频逆变产生高频交流信号，送到发射线圈。图2中XKT-408外接电阻和电容用来调节电磁波发射频率。

T5336集成芯片与XTK-408配合，实现发射控制及管理。在振荡过程中由于线圈的内阻及能量传输过程中的损耗，会导致电路中振荡电流衰减，通过控制T5336输出口电压以补偿电路中的损耗电压。

主控芯片通过调整控制发送端发送功率的大小，实现对发射端电信号的监测及控制。

1.3 接收电路设计

电磁信号经接收线圈电磁耦合进入接收端，接收系统传输过来的无线电能。接收端的另一个功能是进行电路的实时监控。接收模块由以下几部分组成，分别为接收主控模块、整流滤波模块、接收端电压产生电路以及负载。接收模块如图3所示。

接收端采用T3168无线接收芯片，接收传递来的高频能量信号。外接RC并联电路，在电压输出端并联一个反馈电阻，构成负反馈电路，以改变接收电路负载大小，耦合传递到发射端，与T5536共同实现智能调节管理。

2 负载模块

本系统选用蓝牙音箱作为负载来进行输电效率测试，负载大小为2*4Ω/1ω。该负载进行输电效率测试较为方便。在调试时，可根据播放音效变化直观感受无线输电效率的变化，便于调整线圈距离和角度。该模块主控芯片采用的是CRS公司生产的57F86蓝牙模块， 配合CSR BLUECORE5 芯片提升模块的音质和兼容性。

有源音箱放大芯片采用的是ST公司生产的TDA2822M集成电路。

3 系统测试

测试时，调整耦合线圈角度和距离，使负载音箱播放音乐效果达到最佳，然后调整音箱音量，进行功率传输测试。逐渐增大线圈距离，在负载音箱输出无失真的情况下，测量系统的发射及接收功率。

4 结论

测试结果表明，在输出端负载为2*4Ω/1ω的情况下，输电距离可以达到28cm。发射端电源功率为21.56w时，接收端功率可以达到4.8ω，传输效率η=22.2%。

无线输电系统的能量传输效率随传输距离的增加而减小，只有在发送功率和接收功率达到平衡时，无线能量传输达到最优的状态。实验表明，负载电路对系统也会起到一定影响。在今后的设计中，可通过增大发射端输入电压和增加两线圈的尺寸，来提高无线输电系统的工作效率，从而增加无线输电的传输距离。

参考文献

[1]A.Kurs A.Karalis R.MofFatt，Wireless power transfer via strongly coupled magneticre sonances[J] Science.2007，317：83-86.

[2]楊新生，赵军.一种小尺寸磁谐振耦合无线能量传输系统的实验研究[J].电工技术学报，2016，31（02）：13-17.

[3]李阳，张雅希.磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证[J].电工技术学报，2016，31（02）：18-24.

[4]马旭旭，许新.一种具有蓝牙功能的IC卡预付费电能表设计[J].电气技术，2016 Vol.17（06）：160-163.

作者单位

荆楚理工学院 湖北省荆门市 448000