可植入式磁耦合谐振无线电能传输系统研究
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摘要：针对目前越来越多电子产品的功耗与体积在不断减小，可植入器件电池的续航问题始终未得到有效的解决。本文主要研究小型磁耦合谐振无线能量传输系统，本着简单、高效、低成本的原则，实现了一种简易的小功率强磁耦合谐振式无线电能传输系统。通过原理分析与实验相结合，研究影响无线能量传输系统的传输距离和效率的诸多因素。
关键词：小型磁耦合谐振;无线电能传输;传输距离;效率
中图分类号：TP311文献标識码：A
文章编号：1009-3044（2019）34-0210-02
1 概述
随着科技的进步，越来越多电子产品的功耗与体积在随之不断减小，但能量供应问题即电池的续航能力达不到要求，制约了小功率便携式设备的发展，尤其是可植入器件未得能到广泛应用。针对以上提出的问题，本文主要研究小型磁耦合谐振无线能量传输系统，系统由大规模集成电路组成，使植入器件体积尽可能小，通过原理分析与实验相结合，本着简单、高效、低成本的原则，实现了一种功率小、制作简单的磁耦合谐振式无线电能传输系统，同时进一步研究传输距离和效率等诸多因素对无线能量传输系统的影响情况。
2 谐振耦合无线电能传输的工作原理
谐振耦合无线电能传输的工作原理如图1所示，从电网得电后，经过整流电路将交流电变成直流电，后接上滤波电路滤去整流输出电压中的纹波，再经过调压电路、最后经过逆变电路产生所需要频率为交流电。无线电能传输系统最核心的部分是磁耦合部分，能量的传输通过磁耦合进行，使其周围产生交变场主要是由于相同谐振频率的振荡器，当正弦电流通入发射线圈，与此同时向电容充电：接收线圈感应到磁场后，其射频功率经射频，再通过整流电路进行直流变换，其后经过滤波电路转变成负载所需要的直流功率。当通入电路的正弦电流的频率与振荡电路固有谐振频率相等时，此时产生的磁场能量能达到最大值;当改变发射线圈电流方向时，随之改变的有是交变磁场方向，此时接收线圈感生电动势为最大;接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。若此时系统接有负载时，发射线圈就会向接收线圈传递能量，这就是无线能量传输的原理。
3 电能传输系统的主要模块电路设计
小功率的磁耦合谐振式无线供电系统，由发射电路和接收电路两部分组成。其中发射电路主要包括整流电路、高频逆变电路、发射线圈。接收电路主要包括线圈、射频到直流变换电路、低通滤波电路和负载组成等。为使电能传输的各种参数达到最优化及系统保持较高的传输效率选取合适的器件类型和参数及电路模型是关键部分。
3.1 振荡模块的设计
本模块利用逻辑非门构成RC迟滞多谐振荡器配以快速比较器调节输出，实现频率、占空比的双线可调，RC的振荡频率为fi=1/2πRC，如图2所示，可以通过调节R11的大小来调整振荡模块的频率;在该系统中最重要的是谐振频率的调节，由谐振电路的固有频率的计算公式f2=1/2π√LC可知，频率与L和C的取值有关，但是L的值也不宜过大，当C-定时，大电感线圈在近距离可以传输较大能量，但由于固有频率较低，所以在远距离传输时传输的能量就会很小，当L-定时，电容越大，线圈的固有频率越小，在相同的能量下，它的传输距离越远，所以电容电感的增大是一对矛盾值，两者皆不可取太大，亦不可取太小。
实物如图2所示，图中的C1I和R7构成迟滞多谐振荡器，它控制着发射端的谐振频率，改变其振荡频率可以通过调节R7的阻值大小;LM393AN双限比较器与其输出端相接，滑动变阻器的一端接LM393AN双限比较器的参考电压，改变参考电压的大小可以通过调节滑动变阻器的大小，从而实现输出波形的改变.即其输出的占空比可以得到调节。由此可知，当调节R3和R6的值即可改变占空比的大小。当U2>U3时或U6>U5时，则输出低电平，当U2
3.2 驱动模块的设计
MOSFET的驱动芯片的选取原则是驱动电流较大，工作频率要高，在本设计中采用24路非门阵列输出，驱动能力强，输出驱动信号功率较一般驱动电路大。
其实物图如图3所示，4个SN74HC04N可构成非门阵列，相当于三极管的功能，可以增强驱动能力，而两个MOS管CSD19535KCS相当于开关，驱动控制由开关Q1、Q2半桥驱动芯片电路来实现。当开关Q1处于导通状态时，Q2处于关断状态时，发射谐振线圈上的电压为0;当开关Q2处于导通状态时，Q1处于关断状态时，发射谐振线圈上产生上而下的电压Vin，个交流电产生在发射线圈的电感上，并且接收端发射能量也是通过线圈来实现。
3.3 耦合模块的设计
无线电能传输的核心为无线输电线圈，较高的无线电能的传输效率、功率和传输距离与设计合适的线圈有很大的关系。这部分原件主要的作用是将电能转化为交变磁场能量，再将空间中交变磁场能量变换成电能。
设计时可通过Aansoft Maxwell和HFSS软件进行3D电磁场有限元分析的仿真软件，并且利用可以更加精确而便捷地确定对应的参数，主要通过分析、计算线圈的涡流效应、集肤效应和寄生参数。Maxwell有限元仿真软件计算流程为：（1）求解器类型选择;（2）建立模型;（3）设置材料属性;（4）设置激励源和边界条件;（5）白适应网格剖分（6）有限元求解;（7）后处理。
可通过提高两个线圈的耦合系数来有效地提高无线输电传输效率。考虑工作频率在MHZ级别的线圈，线圈白谐振频率的准确计算产生影响的因素有：趋肤效应、邻近效应等。本项目中谐振线圈采用平面圆环型。通过高频仿真软件，计算线圈的谐振频率，起始线圈的半径、线圈的匝数、每圈半径增量等变量，在仿真计算时，外实现对线圈进行优化设计，可通过设置各参数的变化范围，两个线圈的耦合系数即可被确定。从而可获得最佳的参数，并且大大降低设计成本和周期。 经过各种仿真参数的比较，最后确定仿真参数并进行实物制作，耦合模块的实物如图4所示。装置中的耦合线圈为空心线圈，线圈宽度为3 mm;线圈间距1 mm;线圈内径长度65mm;正反线圈间距为2.5mm。发射线圈与接收线圈的参数一致，调谐电路是用来实现发射端与接收端线圈耦合匹配，在发射端和接收端均采用并联谐振回路。
3.4 高频滤波模块的设计
通过磁谐振的耦合，次级线圈接收到的波形是正弦波。如图5所示为高频滤波电路，V1为单相桥式整流电路，直流变换电路的输出电压，经桥式射频到直流变换电路输出的是较大脉动电压直流电，为给负载设备提供需平稳的直流需经过低通滤波器。
在接收系统中，功率相对比较大的直流变换电路，相对于无线电磁信号功率高很多，二极管承受会很大的功率。当Cj和r很小时可使二极管的T作频率足够高。
采用T型低通滤波器是为了使滤波电路输出波形效果更好。输出电压经过T型低通滤波器后变得更加平稳，可以通过微调减小电容C值来消除平稳电压前冲击电压。
4 测试数据记录及结果分析
4.1 效率T1测试
将100R/150W的磁盘变阻器串接到接收端输出回路，保持发射线圈与接收线圈的间距X=10cm、以及输入电压U1=15V，在接收端串联一电流表，并计算出此时的传输效率η=U2I2/U1I2Ux100%，实验测出，I1=0.9A，U1=7.2V，故传输效率为55.8%。
4.2 距离X的测试
接收端输出回路接一只3W的灯泡，在基础条件：保证LED灯不熄灭，输入电压保持在15V，使输入直流II不大于3A，测出发射线圈与接收线圈的最大间距XMAX，由曲线图可以看出，随着距离的传输.传输效率呈递减的趋势。
4.3 线圈空间位置对系统传输的影响
研究线圈空间位置对系统传输的影响，当两线圈同轴线时，输出功率最大可达5W，系统传输效率最高可达55.8%。当将两线圈的偏移距离增大时，系统的传输效率和输出功率降低。接近线圈半径的一半时，传输效率和输出功率下降约为10%，输出功率降低10%。偏移距离较短时对系统传输影响较小。
测试研究表明，当线圈发生偏移或偏转时，系统互感参数减小，系统传输效率降低。当线圈偏移距离小于半径一半大小时，系统传输效率与功率变化幅度较小。
5 结束语
可植入式磁耦合谐振无线电能传输系统主要研究使体积尽可能小，传输效率尽可能高。设计主要包括电路拓扑分析、器件选取等，利用3D电磁场仿真软件优化设计线圈的结构和参数，并在此基础上搭建实验平台，搭建的磁耦合谐振式无线电能传输系统，点亮了距离发射线圈90cm的3W灯泡，传输效率为55.8%，并研究了传输效率随着传输距离的变化所受的影响情况;及系统传输效率受线圈空间位置的影响情况，同时验证了此系统的可行性。
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【通联编辑：闻翔军】
收稿日期：2019-10-16
基金項目：湖北省教育厅科学技术研究计划项目（指导性项目），项目名称：体内植入式磁耦合谐振无线电能传输系统研究为例（项目编号：B2017338）
作者简介：刘新竹，女，湖北武汉人，副教授，研究方向为电气自动化技术。
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