Nikola Tesla於19世紀發明了用於無線電源傳輸系統的特斯拉線圈，實現了電能的無線傳輸[1]。雖然傳統的有線電力傳輸能提供更高的效率，但是由於無線充電更方便、成本更低，近年來隨著無線充電技術逐漸走向成熟，受到了廣泛的關注與應用[2]。從手機、牙刷充電到電動汽車、無人駕駛飛行器，傳輸功率也從幾瓦特到幾千瓦特不等。
一直以來，都被大家視為新能源出行方式，更是綠色環保的成熟出行標誌。因此，近年來我國輕型電動車產業一直保持了80%以上的增長速度，我國輕型電動車產銷量已經占到全球90%以上，成為全球最大的輕型電動車生產國、消費國和出口國[3]。但不可否認的是，由於充電和續航的原因，使得燃油類車輛有著看似「無法被取代」的方式因而一直被視為買車首選。而無線充電技術是電動汽車充電的理想解決方案，解決了充電不便的問題。
為了能夠提高無線充電的效率及其穩定性，諸多研究人員針對不同場景提出了不同的設計方案。文獻[4]中，錢尼信等人設計了一種基於無線充電的癲癇信號檢測器，並具有較高的檢測精度。文獻[5]中，劉新天等人研究了電動汽車無線充電系統，設計了拓撲與控制策略，並驗證了方案的可行性。文獻[6]中，葉先萬等人研究了一種智能無線充電系統，有利於提高智能穿戴等微型設備的充電效率與可控制性。
當前由於對電池的存儲的電量要求較低，無線充電將特別適用於電動自行車，在電動自行車逐漸成為消費者日常短途出行的重要交通工具的情況下，無線充電技術將促進電動自行車的進一步發展[7-8]。因此，本文設計了一種為電動自行車提供一個12 V電池充電的無線電源傳輸系統。
1 電磁感應充電技術
1.1 無線充電技術系統結構
無線充電技術主要分為電磁感應式、磁場共振式和無線電波式3種充電方式，是一種採用非物理接觸進行能量傳輸的新型充電技術[9]，其傳輸系統結構如圖1所示，分為發射器、接收器兩個部分，通過AD/DC轉換、驅動器、控制器、整流器等元件實現對負載的無線充電。
1.2 電磁感應式充電原理
電磁感應式無線充電是當前應用最為廣泛的無線充電方式，適用於短距離無線充電，具有較高的傳輸效率。其工作原理主要依據法拉第電磁感應定律，通過在發射端和接收端設置線圈，其中發射端線圈與交流電源連接，通過電磁感應現象，接收端線圈能夠感應到發射端線圈產生的電磁感應信號，產生電流供負載進行充電，其基本結構如圖2所示。
2 系統設計
2.1 系統概述
本文設計面向電動自行車的無線充電系統，可用於家用無線充電或在外的公用無線充電站，其中系統示意圖如圖3所示。該系統有一個充電墊，可以在電動自行車停放時為其充電。發射線圈將放在地上的一個墊子上，發射線圈產生的磁場將在附在電動自行車底部的接收線圈中產生感應電流，通過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。為提高無線充電系統充電效率，設計系統充電時長為6 h，由12 V 38AH/20HR鉛酸蓄電池數據表可知，系統需要約14.4 V~15 V的電壓才能滿足充電要求。因此需根據電壓需求進行充電線圈設計。
2.2 電磁設計
諧振通過引入電容元件來消除電路中電感元件的影響，從而優化系統的功率因數，消除電抗。該技術具有效率高、傳輸距離長等優點，是最適合用於無線充電的一種技術。因此，該系統使用基於電磁感應的無線充電設計，這也要求了發射器和接收機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，但由於其仿真、設計和實現比較簡單，該系統選用圓形平面線圈設計[10]。由於在實驗室中模擬使用，線圈使用絞合配置的銅線，選擇開關頻率範圍為90 kHz~100 kHz，以消除對磁芯的需求，其中本文設計無線充電系統線圈結構如圖4所示。
2.3 電路設計
由於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現，因此設計全橋拓撲結構對接收線圈的高頻交流信號進行整流，產生直流充電信號。其中全橋逆變器用於將直流輸入轉換為高頻交流信號進行無線電源傳輸，同時補償網絡採用串聯拓撲結構，並在系統中使用線性電壓調節器用於調節電壓[11]。
2.3.1 逆變器設計
設計全橋逆變器用於將直流輸入轉換為高頻交流信號進行無線電源傳輸，同時補償網絡採用串聯拓撲結構，因為它適合高頻、低功耗、短距離應用。全橋逆變器使用IRFP260N電晶體，電晶體的額定值為200 V、50 A，電晶體供電電壓為15 V，因此需要電晶體柵極驅動器。選擇電晶體柵極驅動器的輸入電壓為12 V，輸出電壓為15 V，設計逆變器電路圖如圖5所示。
逆變器包含2個柵極驅動器、4個MOSFET場效應電晶體。門驅動器可以產生高低電平兩個信號，為避免短路，左右驅動器一次只能打開一個MOSFET，當左驅動器發送一個高電平信號到MOSFET 1和一個低電平信號到MOSFET 2時，右驅動器將發送一個高電平信號到MOSFET 4和一個低電平信號到MOSFET 3。當MOSFET 1和MOSFET 4導通時，電流將從左到右流過負載。當切換柵極驅動器時，信號反轉，電流從右向左流過負載，MOSFET 2和MOSFET 3導通。通過快速切換，在輸出端產生交流信號。
2.3.2 整流器設計
整流器將發射器的高頻交流電轉換成直流電進行充電，整流器中使用的二極體需具有3 A最大電流容量。因此，選擇使用1N5401二極體，容量為3 A、70 V，整流器的最大效率為81.2%，需要4個二極體和0.48的紋波係數。為了確保紋波被過濾掉，需要在輸出端連接一個大電容器，所選電容為100 μF，設計所得全橋整流器如圖6所示。
3 ANSYS Maxwell仿真
ANSYS Maxwell是一款電磁場仿真軟體，用於設計和分析電機、執行器、傳感器、變壓器等電磁和機電設備。利用ANSYS Maxwell對線圈進行仿真設計，確定線圈的自感係數、線圈間的互感係數和耦合係數[12]。
發射器和接收器線圈的設計相同，線圈有10圈，線徑為1.41 mm，半徑變化5 mm，線圈外徑為200 mm，線圈內徑為100 mm。線圈之間的距離從10 mm~200 mm不等。使用ANSYS Maxwell軟體對設計發射器和接收器線圈進行建模和仿真計算，其仿真模型和計算結果如圖7、圖8所示。
由仿真結果可知，在50 mm傳輸距離下，發射器自感係數為19.54 μH，接收器自感係數為19.55 μH，發射器與接收器互感係數為5.68，線圈之間的耦合係數為0.291 2。互感係數和耦合係數的傳輸距離從10 mm~200 mm不等。仿真結果表明了設計線圈滿足要求。
4 結論
本文設計了一個無線電源傳輸系統，完成了電磁和電路兩部分的設計，並得到了圓形線圈模型，成功地製造了線圈。利用ANSYS Maxwell仿真軟體對設計線圈進行仿真驗證，計算得出發射器自感係數為19.54 μH，接收器自感係數為19.55 μH，發射器與接收器互感係數為5.68，仿真結果表明了線圈設計合理可行。
參考文獻
[1] MOU X，SUN H.Wireless power transfer：survey and road-map[C].2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference(VTC Spring).IEEE，2015：1-5.
[2] PELLITTERI F，BOSCAINO V，DI TOMMASO A O，et al.Inductive power transfer for 100W battery charging[C].IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.IEEE，2013：894-899.
[3] 邱亞楠，陳波，顧純清.電動自行車用充電器產品發展狀況分析[J].電動自行車，2016(9)：37-38.
[4] 錢尼信，朱雲帆，時歡，等.一種無線充電、無線通信的植入式癲癇信號檢測器[J].電子技術應用，2018，44(7)：76-80.
[5] 劉新天，秦穩穩，鄭昕昕.電動汽車無線充電系統拓撲與控制策略研究[J].電子技術應用，2017，43(5)：155-158.
[6] 葉先萬，蔣碧波，李躍偉.一種智能無線充電系統設計[J].計算機測量與控制，2018，26(6)：239-243.
[7] 程廣明.電動汽車快速充電器的研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.
[8] 季樂樂，高文根，陳宗禹.電動汽車無線充電系統的設計與仿真[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2019，37(2)：206-210.
[9] 白光磊，江昊，史佳雯，等.基於擴展無線充電Qi協議的數據採集方法[J].電子技術應用，2018，44(11)：76-80，85.
[10] 吳英愷，王旭東，王繼科，等.基於效率自校準的磁共振式無線充電系統設計[J].電子技術與軟體工程，2016(13)：130-132.
[11] YAN W，CHEN J.A general design of magnetic coupling resonant wireless power transmission circuit[C].IOP Conference Series：Earth and Environmental Science.IOP Publishing，2017，69：012197.
[12] 王振宇，朱玉川.GMM執行器電磁仿真與位移輸出實驗研究[J].壓電與聲光，2019，41(2)：210-212，216.
作者信息:
田小松1，楊 華2，蔡先運1，顧 淼3
(1.貴州電網有限責任公司 遵義播州供電局，貴州 遵義563000；
2.貴州電網有限責任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000；3.珠海黑石電氣自動化科技有限公司，廣東 珠海 519000）