0 引言

    Nikola Tesla于19世纪发明了用于无线电源传输系统的特斯拉线圈，实现了电能的无线传输^[1]。虽然传统的有线电力传输能提供更高的效率，但是由于无线充电更方便、成本更低，近年来随着无线充电技术逐渐走向成熟，受到了广泛的关注与应用^[2]。从手机、牙刷充电到电动汽车、无人驾驶飞行器，传输功率也从几瓦特到几千瓦特不等。

    一直以来，电动自行车都被大家视为新能源出行方式，更是绿色环保的成熟出行标志。因此，近年来我国轻型电动车产业一直保持了80%以上的增长速度，我国轻型电动车产销量已经占到全球90%以上，成为全球最大的轻型电动车生产国、消费国和出口国^[3]。但不可否认的是，由于充电和续航的原因，使得燃油类车辆有着看似“无法被取代”的方式因而一直被视为买车首选。而无线充电技术是电动汽车充电的理想解决方案，解决了充电不便的问题。

    为了能够提高无线充电的效率及其稳定性，诸多研究人员针对不同场景提出了不同的设计方案。文献[4]中，钱尼信等人设计了一种基于无线充电的癫痫信号检测器，并具有较高的检测精度。文献[5]中，刘新天等人研究了电动汽车无线充电系统，设计了拓扑与控制策略，并验证了方案的可行性。文献[6]中，叶先万等人研究了一种智能无线充电系统，有利于提高智能穿戴等微型设备的充电效率与可控制性。

    当前由于对电池的存储的电量要求较低，无线充电将特别适用于电动自行车，在电动自行车逐渐成为消费者日常短途出行的重要交通工具的情况下，无线充电技术将促进电动自行车的进一步发展^[7-8]。因此，本文设计了一种为电动自行车提供一个12 V电池充电的无线电源传输系统。

1 电磁感应充电技术

1.1 无线充电技术系统结构

    无线充电技术主要分为电磁感应式、磁场共振式和无线电波式3种充电方式，是一种采用非物理接触进行能量传输的新型充电技术^[9]，其传输系统结构如图1所示，分为发射器、接收器两个部分，通过AD/DC转换、驱动器、控制器、整流器等元件实现对负载的无线充电。

1.2 电磁感应式充电原理

    电磁感应式无线充电是当前应用最为广泛的无线充电方式，适用于短距离无线充电，具有较高的传输效率。其工作原理主要依据法拉第电磁感应定律，通过在发射端和接收端设置线圈，其中发射端线圈与交流电源连接，通过电磁感应现象，接收端线圈能够感应到发射端线圈产生的电磁感应信号，产生电流供负载进行充电，其基本结构如图2所示。

2 系统设计

2.1 系统概述

    本文设计面向电动自行车的无线充电系统，可用于家用无线充电或在外的公用无线充电站，其中系统示意图如图3所示。该系统有一个充电垫，可以在电动自行车停放时为其充电。发射线圈将放在地上的一个垫子上，发射线圈产生的磁场将在附在电动自行车底部的接收线圈中产生感应电流，通过接收器线圈与整流器相连，为电池提供直流电源。

    其中所选用电动自行车电池为12 V 38AH/20HR的铅酸蓄电池，所需要传输距离为100 mm。为提高无线充电系统充电效率，设计系统充电时长为6 h，由12 V 38AH/20HR铅酸蓄电池数据表可知，系统需要约14.4 V~15 V的电压才能满足充电要求。因此需根据电压需求进行充电线圈设计。

2.2 电磁设计

    谐振通过引入电容元件来消除电路中电感元件的影响，从而优化系统的功率因数，消除电抗。该技术具有效率高、传输距离长等优点，是最适合用于无线充电的一种技术。因此，该系统使用基于电磁感应的无线充电设计，这也要求了发射器和接收机器线圈以相同的频率共振。虽然圆形平面线圈在效率和传输距离上不是最佳的，但由于其仿真、设计和实现比较简单，该系统选用圆形平面线圈设计^[10]。由于在实验室中模拟使用，线圈使用绞合配置的铜线，选择开关频率范围为90 kHz~100 kHz，以消除对磁芯的需求，其中本文设计无线充电系统线圈结构如图4所示。

2.3 电路设计

    由于全桥整流电路与半桥整流电路相比效率更高，中心抽头整流桥更容易实现，因此设计全桥拓扑结构对接收线圈的高频交流信号进行整流，产生直流充电信号。其中全桥逆变器用于将直流输入转换为高频交流信号进行无线电源传输，同时补偿网络采用串联拓扑结构，并在系统中使用线性电压调节器用于调节电压^[11]。

2.3.1 逆变器设计

    设计全桥逆变器用于将直流输入转换为高频交流信号进行无线电源传输，同时补偿网络采用串联拓扑结构，因为它适合高频、低功耗、短距离应用。全桥逆变器使用IRFP260N晶体管，晶体管的额定值为200 V、50 A，晶体管供电电压为15 V，因此需要晶体管栅极驱动器。选择晶体管栅极驱动器的输入电压为12 V，输出电压为15 V，设计逆变器电路图如图5所示。

    逆变器包含2个栅极驱动器、4个MOSFET场效应晶体管。门驱动器可以产生高低电平两个信号，为避免短路，左右驱动器一次只能打开一个MOSFET，当左驱动器发送一个高电平信号到MOSFET 1和一个低电平信号到MOSFET 2时，右驱动器将发送一个高电平信号到MOSFET 4和一个低电平信号到MOSFET 3。当MOSFET 1和MOSFET 4导通时，电流将从左到右流过负载。当切换栅极驱动器时，信号反转，电流从右向左流过负载，MOSFET 2和MOSFET 3导通。通过快速切换，在输出端产生交流信号。

2.3.2 整流器设计

    整流器将发射器的高频交流电转换成直流电进行充电，整流器中使用的二极管需具有3 A最大电流容量。因此，选择使用1N5401二极管，容量为3 A、70 V，整流器的最大效率为81.2%，需要4个二极管和0.48的纹波系数。为了确保纹波被过滤掉，需要在输出端连接一个大电容器，所选电容为100 μF，设计所得全桥整流器如图6所示。

3 ANSYS Maxwell仿真

    ANSYS Maxwell是一款电磁场仿真软件，用于设计和分析电机、执行器、传感器、变压器等电磁和机电设备。利用ANSYS Maxwell对线圈进行仿真设计，确定线圈的自感系数、线圈间的互感系数和耦合系数^[12]。

    发射器和接收器线圈的设计相同，线圈有10圈，线径为1.41 mm，半径变化5 mm，线圈外径为200 mm，线圈内径为100 mm。线圈之间的距离从10 mm~200 mm不等。使用ANSYS Maxwell软件对设计发射器和接收器线圈进行建模和仿真计算，其仿真模型和计算结果如图7、图8所示。

    由仿真结果可知，在50 mm传输距离下，发射器自感系数为19.54 μH，接收器自感系数为19.55 μH，发射器与接收器互感系数为5.68，线圈之间的耦合系数为0.291 2。互感系数和耦合系数的传输距离从10 mm~200 mm不等。仿真结果表明了设计线圈满足要求。

4 结论

    本文设计了一个无线电源传输系统，完成了电磁和电路两部分的设计，并得到了圆形线圈模型，成功地制造了线圈。利用ANSYS Maxwell仿真软件对设计线圈进行仿真验证，计算得出发射器自感系数为19.54 μH，接收器自感系数为19.55 μH，发射器与接收器互感系数为5.68，仿真结果表明了线圈设计合理可行。

参考文献

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[5] 刘新天，秦稳稳，郑昕昕.电动汽车无线充电系统拓扑与控制策略研究[J].电子技术应用，2017，43(5)：155-158.

[6] 叶先万，蒋碧波，李跃伟.一种智能无线充电系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26(6)：239-243.

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[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执行器电磁仿真与位移输出实验研究[J].压电与声光，2019，41(2)：210-212，216.

作者信息:

田小松1，杨  华2，蔡先运1，顾  淼3

(1.贵州电网有限责任公司 遵义播州供电局，贵州 遵义563000；

2.贵州电网有限责任公司 遵义供电局，贵州 遵义563000；3.珠海黑石电气自动化科技有限公司，广东 珠海 519000）