无线充电系统实验研究
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different resonance frequencies
3.2 不同线圈线径对系统的影响 在保持其他参数一定，改变线圈线径，得到实验结果
如图 4 所示，线径越大，负载端电压值越高，输出功率越高。 3.3 不同线圈半径对系统的影响
在保持其他参数一致，通过改变线圈半径，得到实验 结果如图 5 所示，在相同的耦合距离上，半径越大的线圈 其负载端电压值越大 , 系统无线传输的有效距离也随着线
有上述电路模型，根据 KVL 列写出回路方程为：
−
jωM
•
I2 + (R1 +
jωL1 +
1 jωC1
)
•
I1
•
=US
(1)
−
jωM
•
I 1 +（R2
+
RL
+
jωL2
+
1• ）I 2
jωC2
=0
(2)
分别令 Z1
= R1 +
jωL1 +
1 jωC1
，Z 2
= R2
+ RL
+
jωL2 +
1， jωC2
第22卷 第4期 2015年8月
仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
EIC Vol.22 2015 No.4
电磁谐振式的无线充电系统实验研究
韩晓坤 ，仝卫国 ，宋凯兵
（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）
摘 要：本文基于电磁谐振技术研制的无线充电系统，实现了电能的无线传输；并对系统建立了物理模型，理论分 析了影响无线电能传输效率和距离的关键因素，其中包括谐振频率、线圈的几何参数、电气参数等；通过大量实验 数据，验证了这些关键因素对无线充电系统的影响程度，为后续的研究开发提供了依据。 关键词：无线充电；磁谐振耦合；谐振频率；传输效率
且与线圈直接的互感 M 密切相关。当 ωM = R1(R2 + RL ) 时传输效率η 有最大值，此时 dη = 0 。故并不是互感越大，
dM
系统的传输效率最大，而是在互感与阻抗相匹配时，系统
才有最大的传输效率，即存在一个最佳的传输距离 [5,6]。
Q2 = R引2ω+L入2RL 发，射线回圈路耦与合接系收数回为路k 的= 品LM1L质2 因, 则数系分统别的为传Q输1 =效ωRL1率1 和转
图 2 电磁谐振式无线传输电路简化模型 Fig.2 The simplified model of wireless transmission of
electromagnetic resonant circuit
•
图中 US 为高频激励源，频率为 ，C1、C2 为线圈在高 频下的串联电容（也称之为补偿电容），R1、R2 为线圈在 高频下的寄生电阻，L1、L2 为线圈自身电感，RL 为负载回 路发射到 L2 上的电阻，M 为两线圈之间互感系数，D 为耦 合传输距离。
power transmission system
收稿日期：2015-04-19 作者简介：韩晓坤（１９８８－），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：现代测控理论在电力系统中的应用。
第4期
韩晓坤·电磁谐振式的无线充电系统实验研究
27
本系统设计的电磁谐振式无线充电系统中，直流电源 DC=12 V（最大功率 12 W），高频逆变电路是基于 IR2104 的半桥逆变电路：其中驱动方波 PWM 由单片机产生；发射 与接收电路都是采用的电容串联补偿电路；整流电路采用 的是全桥整流电路，负载电路包含稳压模块与用电装置。
图 5 不同线圈半径下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.5 The load voltage of respective coupling distance in
different coil radius
3.4 发射与接收线圈参数不一致对系统影响 发射接收线圈参数不一致时，得到实验结果如图 6 所
故系统在谐振状态下，输入回路和接受回路的等效阻抗分
别为：Z1 = R1 ，Z2 = R2 + RL
3 实验结果及分析
在实验过程中，为方便观察传输效果，负载端并没有 接入蓄电池，而是接入一个小 LED 灯与 1 k 的电阻。重点 测量了频率、线圈半径、线圈线径对系统的影响，并接入 不同电阻负载分析系统的传输效率，以及当发射线圈与接 收线圈的几何大小不一致时，系统的工作状况。 3.1 不同谐振频率对系统的影响
28
圈半径增大而增大。
仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
收能量减小，场能会有相互消耗作用。
第22卷
图 4 不同线圈线径下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.4 The load voltage of respective coupling distance in
different coil diameter
3.5 不同负载下的传输效率 保持其他参数一致，接入不同负载，得到实验结果如
图 7 所示，系统的传输效率在耦合距离较近时随着负载的 增大而增大，且随着耦合距离的增加，负载越大传输效率 下降的越快。
对于负载 RRL=L= 9900ΩΩ ，在耦合距离为 4 cm 出现一个
最大值，也就是说，不是单纯的距离越近，传输效率越高， 它是有一个最佳工作距离的，大于或小于这个最佳工作距 离，效率都不会太高。在小于最佳工作距离时，系统虽仍 处于谐振状态，但负载对电源会产生负面的影响，负载接
无线充电技术主要有电磁感应式、磁谐振式、微波式 三种，目前国际上无线充电的主流标准分为 Qi、PMA 和 A4WP 3 大标准 [2]。其中磁谐振无线充电技术是一种新型的 无线充电技术，它基于电磁谐振耦合原理综合应用谐振耦 合技术、谐振补偿技术、整流补偿和稳压技术等，通过两 个具有相同谐振频率的线圈产生的高频交变的磁场，实现 电能通过非接触方式在一定距离上的传输。相对于传统的 接线式电能传输技术，该技术更具灵活性和实用性，能破 除人们对电源线路的依赖，实现供电设备和用电设备之间
1 电磁谐振式无线充电系统构成
电磁谐振式无线充电系统一般结构如图 1 所示，主要 包括发射端和接收端两大部分。发射端包括高频逆变电路、 空心线圈及谐振补偿电路，其中高频逆变电路为线圈提供 高频交变电压；接收端包括另一空心线圈与谐振补偿电路， 以及整流滤波电路和负载电路。
图 1 电磁谐振式电能无线充电系统构成 Fig.1 Configuration of electromagnetic resonant wireless
0 引言
中远距离供电 [3,4]。
近年来，随着电气设备的不断发展，移动设备充电问 题逐渐成为人们关注的重点。传统的移动设备是通过电源 线直接充电，电源只能对单一设备进行充电、充电效率低 时间长。针对这一问题，研究无线充电技术就显得意义重大， 无线充电技术能有效的避免电气设备之间因为接触产生的 电火花、导线的磨损而造成的电力中断。此外，无线充电 技术还具有高效率、灵活方便、应用范围广泛等优点 [1]。
针对于更高的频率，对系统的硬件要求就更加严格， 比如在本实验设计的系统中，频率超过 350 kHz，效果反而 会变差，这是由于在高频率下，开关管的工作能力下降， 系统不能处于良好的工作状态，另外在确定的负载阻抗下， 不同的谐振频率还会涉及到阻抗匹配问题。
在实际应用中，系统接入的负载是不能够改变的，但 应该通过其他办法使系统能够更好地跟负载进行匹配，才 能找到一个更好的工作距离范围，不能单纯的认为距离近 效果就好。
保证系统谐振状态及其他参数一致，通过串联不同的 补偿电容改变系统谐振频率，得到实验结果如图 3 所示， 在一定频率的范围内，较高的频率可以有效的提高输出功 率及传输效率。随着距离的增大，频率的高低对输出功率 的影响不再那么明显。
图 3 不同谐振频率下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.3 The load voltage of respective coupling distance in
图 7 不同耦合距离上，各个负载的传输效率 Fig.7 The transmission efficiency of individual loads in
different coupling distances
4 总结
根据以上的多个实验研究得出：电磁谐振式无线充电 系统受着多种因素的影响，其中较为重要的因素包括，谐 振频率、耦合线圈半径、线径、负载等。谐振频率与半径 的大小对电能传输距离有着明显的影响，尤其是线圈的半 径，最小半径线圈与最大线圈的有效距离几乎能差一倍左 右。
Abstract: In this paper,it achieved wireless transmission of electrical energy based on the wireless charging system which was developed by electromagnetic resonance technology.Besides,it built a physical model of the system and analyzed the key factors that had influence on the wireless power transmission efficiency and distance,such as the resonant frequency,the geometric parameters of coil and the electrical parameters .Subsequently,many experiments verify the effects about wireless charging system because of these factors,which provides a basis for follow-up research and development. Key words:wireless charging;magnetic resonance coupling;resonance frequency;transmission efficiency
中图分类号：TM724
文献标识码：A
文章编号：1671-1041(2015)04-0026-03
Research on the Key Issues of Electromagnetic Resonant
Wireless Charging System
Han Xiaokun,Tong Weiguo,Song Kaibing （School of Control and Computer Enginerring ,North China Electric Power University,Baoding,071003,China）
2 电磁谐振式无线电能传输的特性分析
2.1 电磁谐振式无线电能传输模型 首先，将系统简化为图 2 所示的等效电路模型。一个
完整的电磁谐振无线电能传输系统包括：高频功率源，两 个谐振耦合空心线圈，补偿电容以及负载。
2.2 电磁谐振式无线电能传输特性分析
由式（5）可知，系统传输效率与负载有着直接的关系，
参考文献：
[1] 沈爱民 . 无线电能传输关键技术问题与应用前景 [M]. 北京： 中国科学技术出版社 .
并代入到（1）和（2）式中得到
•
•
I1
=
(ωM
US )2 / Z2
+
Z1
(3)
•
•
I2
=
− jωM U S (ωM )2 + Z1Z2
(4)
进一步得到谐振耦合系统模型无线传输的效率为
=η
(ωM )2 RL
×100%
Z2 ((ωM )2 + Z1Z2 )
(5)
当系统处于谐振状态时，电压和电流的相角必须为 0，
化为：η
=
பைடு நூலகம்
RL RL + R2
⋅
1
Q1Q2k 2 + Q1Q2k
2
×100%
。经分析知，系统的传输
效率随着品质因数 Q1、Q2 的增大而增大，且当 Q1 = Q2 时，
系统传输效率最高；增加回路之间的耦合系数同样可以提
高系统的传输效率，因此实验过程中，应考虑回路品质因 数与耦合系数数值的优化 [7-9]。
示，在较近的耦合距离上，发射与接收线圈参数一致时， 系统的传输效果要优于参数不一致的情况，而随着耦合距 离的增加，发射小接收大的传输效果优于其他两种情况， 发射大接收小效果相比其他两种情况差一些。
图 6 各个耦合距离上负载端电压值 Fig.6 The load voltage of respective coupling distance
3.2 不同线圈线径对系统的影响 在保持其他参数一定，改变线圈线径，得到实验结果
如图 4 所示，线径越大，负载端电压值越高，输出功率越高。 3.3 不同线圈半径对系统的影响
在保持其他参数一致，通过改变线圈半径，得到实验 结果如图 5 所示，在相同的耦合距离上，半径越大的线圈 其负载端电压值越大 , 系统无线传输的有效距离也随着线
有上述电路模型，根据 KVL 列写出回路方程为：
−
jωM
•
I2 + (R1 +
jωL1 +
1 jωC1
)
•
I1
•
=US
(1)
−
jωM
•
I 1 +（R2
+
RL
+
jωL2
+
1• ）I 2
jωC2
=0
(2)
分别令 Z1
= R1 +
jωL1 +
1 jωC1
，Z 2
= R2
+ RL
+
jωL2 +
1， jωC2
第22卷 第4期 2015年8月
仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
EIC Vol.22 2015 No.4
电磁谐振式的无线充电系统实验研究
韩晓坤 ，仝卫国 ，宋凯兵
（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）
摘 要：本文基于电磁谐振技术研制的无线充电系统，实现了电能的无线传输；并对系统建立了物理模型，理论分 析了影响无线电能传输效率和距离的关键因素，其中包括谐振频率、线圈的几何参数、电气参数等；通过大量实验 数据，验证了这些关键因素对无线充电系统的影响程度，为后续的研究开发提供了依据。 关键词：无线充电；磁谐振耦合；谐振频率；传输效率
且与线圈直接的互感 M 密切相关。当 ωM = R1(R2 + RL ) 时传输效率η 有最大值，此时 dη = 0 。故并不是互感越大，
dM
系统的传输效率最大，而是在互感与阻抗相匹配时，系统
才有最大的传输效率，即存在一个最佳的传输距离 [5,6]。
Q2 = R引2ω+L入2RL 发，射线回圈路耦与合接系收数回为路k 的= 品LM1L质2 因, 则数系分统别的为传Q输1 =效ωRL1率1 和转
图 2 电磁谐振式无线传输电路简化模型 Fig.2 The simplified model of wireless transmission of
electromagnetic resonant circuit
•
图中 US 为高频激励源，频率为 ，C1、C2 为线圈在高 频下的串联电容（也称之为补偿电容），R1、R2 为线圈在 高频下的寄生电阻，L1、L2 为线圈自身电感，RL 为负载回 路发射到 L2 上的电阻，M 为两线圈之间互感系数，D 为耦 合传输距离。
power transmission system
收稿日期：2015-04-19 作者简介：韩晓坤（１９８８－），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：现代测控理论在电力系统中的应用。
第4期
韩晓坤·电磁谐振式的无线充电系统实验研究
27
本系统设计的电磁谐振式无线充电系统中，直流电源 DC=12 V（最大功率 12 W），高频逆变电路是基于 IR2104 的半桥逆变电路：其中驱动方波 PWM 由单片机产生；发射 与接收电路都是采用的电容串联补偿电路；整流电路采用 的是全桥整流电路，负载电路包含稳压模块与用电装置。
图 5 不同线圈半径下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.5 The load voltage of respective coupling distance in
different coil radius
3.4 发射与接收线圈参数不一致对系统影响 发射接收线圈参数不一致时，得到实验结果如图 6 所
故系统在谐振状态下，输入回路和接受回路的等效阻抗分
别为：Z1 = R1 ，Z2 = R2 + RL
3 实验结果及分析
在实验过程中，为方便观察传输效果，负载端并没有 接入蓄电池，而是接入一个小 LED 灯与 1 k 的电阻。重点 测量了频率、线圈半径、线圈线径对系统的影响，并接入 不同电阻负载分析系统的传输效率，以及当发射线圈与接 收线圈的几何大小不一致时，系统的工作状况。 3.1 不同谐振频率对系统的影响
28
圈半径增大而增大。
仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
收能量减小，场能会有相互消耗作用。
第22卷
图 4 不同线圈线径下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.4 The load voltage of respective coupling distance in
different coil diameter
3.5 不同负载下的传输效率 保持其他参数一致，接入不同负载，得到实验结果如
图 7 所示，系统的传输效率在耦合距离较近时随着负载的 增大而增大，且随着耦合距离的增加，负载越大传输效率 下降的越快。
对于负载 RRL=L= 9900ΩΩ ，在耦合距离为 4 cm 出现一个
最大值，也就是说，不是单纯的距离越近，传输效率越高， 它是有一个最佳工作距离的，大于或小于这个最佳工作距 离，效率都不会太高。在小于最佳工作距离时，系统虽仍 处于谐振状态，但负载对电源会产生负面的影响，负载接
无线充电技术主要有电磁感应式、磁谐振式、微波式 三种，目前国际上无线充电的主流标准分为 Qi、PMA 和 A4WP 3 大标准 [2]。其中磁谐振无线充电技术是一种新型的 无线充电技术，它基于电磁谐振耦合原理综合应用谐振耦 合技术、谐振补偿技术、整流补偿和稳压技术等，通过两 个具有相同谐振频率的线圈产生的高频交变的磁场，实现 电能通过非接触方式在一定距离上的传输。相对于传统的 接线式电能传输技术，该技术更具灵活性和实用性，能破 除人们对电源线路的依赖，实现供电设备和用电设备之间
1 电磁谐振式无线充电系统构成
电磁谐振式无线充电系统一般结构如图 1 所示，主要 包括发射端和接收端两大部分。发射端包括高频逆变电路、 空心线圈及谐振补偿电路，其中高频逆变电路为线圈提供 高频交变电压；接收端包括另一空心线圈与谐振补偿电路， 以及整流滤波电路和负载电路。
图 1 电磁谐振式电能无线充电系统构成 Fig.1 Configuration of electromagnetic resonant wireless
0 引言
中远距离供电 [3,4]。
近年来，随着电气设备的不断发展，移动设备充电问 题逐渐成为人们关注的重点。传统的移动设备是通过电源 线直接充电，电源只能对单一设备进行充电、充电效率低 时间长。针对这一问题，研究无线充电技术就显得意义重大， 无线充电技术能有效的避免电气设备之间因为接触产生的 电火花、导线的磨损而造成的电力中断。此外，无线充电 技术还具有高效率、灵活方便、应用范围广泛等优点 [1]。
针对于更高的频率，对系统的硬件要求就更加严格， 比如在本实验设计的系统中，频率超过 350 kHz，效果反而 会变差，这是由于在高频率下，开关管的工作能力下降， 系统不能处于良好的工作状态，另外在确定的负载阻抗下， 不同的谐振频率还会涉及到阻抗匹配问题。
在实际应用中，系统接入的负载是不能够改变的，但 应该通过其他办法使系统能够更好地跟负载进行匹配，才 能找到一个更好的工作距离范围，不能单纯的认为距离近 效果就好。
保证系统谐振状态及其他参数一致，通过串联不同的 补偿电容改变系统谐振频率，得到实验结果如图 3 所示， 在一定频率的范围内，较高的频率可以有效的提高输出功 率及传输效率。随着距离的增大，频率的高低对输出功率 的影响不再那么明显。
图 3 不同谐振频率下，各个耦合距离上的负载端电压 Fig.3 The load voltage of respective coupling distance in
图 7 不同耦合距离上，各个负载的传输效率 Fig.7 The transmission efficiency of individual loads in
different coupling distances
4 总结
根据以上的多个实验研究得出：电磁谐振式无线充电 系统受着多种因素的影响，其中较为重要的因素包括，谐 振频率、耦合线圈半径、线径、负载等。谐振频率与半径 的大小对电能传输距离有着明显的影响，尤其是线圈的半 径，最小半径线圈与最大线圈的有效距离几乎能差一倍左 右。
Abstract: In this paper,it achieved wireless transmission of electrical energy based on the wireless charging system which was developed by electromagnetic resonance technology.Besides,it built a physical model of the system and analyzed the key factors that had influence on the wireless power transmission efficiency and distance,such as the resonant frequency,the geometric parameters of coil and the electrical parameters .Subsequently,many experiments verify the effects about wireless charging system because of these factors,which provides a basis for follow-up research and development. Key words:wireless charging;magnetic resonance coupling;resonance frequency;transmission efficiency
中图分类号：TM724
文献标识码：A
文章编号：1671-1041(2015)04-0026-03
Research on the Key Issues of Electromagnetic Resonant
Wireless Charging System
Han Xiaokun,Tong Weiguo,Song Kaibing （School of Control and Computer Enginerring ,North China Electric Power University,Baoding,071003,China）
2 电磁谐振式无线电能传输的特性分析
2.1 电磁谐振式无线电能传输模型 首先，将系统简化为图 2 所示的等效电路模型。一个
完整的电磁谐振无线电能传输系统包括：高频功率源，两 个谐振耦合空心线圈，补偿电容以及负载。
2.2 电磁谐振式无线电能传输特性分析
由式（5）可知，系统传输效率与负载有着直接的关系，
参考文献：
[1] 沈爱民 . 无线电能传输关键技术问题与应用前景 [M]. 北京： 中国科学技术出版社 .
并代入到（1）和（2）式中得到
•
•
I1
=
(ωM
US )2 / Z2
+
Z1
(3)
•
•
I2
=
− jωM U S (ωM )2 + Z1Z2
(4)
进一步得到谐振耦合系统模型无线传输的效率为
=η
(ωM )2 RL
×100%
Z2 ((ωM )2 + Z1Z2 )
(5)
当系统处于谐振状态时，电压和电流的相角必须为 0，
化为：η
=
பைடு நூலகம்
RL RL + R2
⋅
1
Q1Q2k 2 + Q1Q2k
2
×100%
。经分析知，系统的传输
效率随着品质因数 Q1、Q2 的增大而增大，且当 Q1 = Q2 时，
系统传输效率最高；增加回路之间的耦合系数同样可以提
高系统的传输效率，因此实验过程中，应考虑回路品质因 数与耦合系数数值的优化 [7-9]。
示，在较近的耦合距离上，发射与接收线圈参数一致时， 系统的传输效果要优于参数不一致的情况，而随着耦合距 离的增加，发射小接收大的传输效果优于其他两种情况， 发射大接收小效果相比其他两种情况差一些。
图 6 各个耦合距离上负载端电压值 Fig.6 The load voltage of respective coupling distance