基于无线电能传输技术的隔离电源控制器研制.pdf

Telecom Power Technology 133 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 Telecom Power Technology 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期电源与节能技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.044基于无线电能传输技术的隔离电源控制器研制章海钰（上饶市中盛水电实业有限公司，江西 上饶 334100）摘要：研究基于无线电能传输技术的隔离电源控制器。传统的隔离电源存在安全隐患和不便之处，而无线电能传输技术能够解决这些问题。通过分析无线电能传输系统的功率与效率，提出了基于无线电能传输技术的隔离电源技术方案，评估了控制器系统的稳定性和可靠性。研究结果表明，基于无线电能传输技术的隔离电源控制器具备广阔的应用前景，并在电子设备和无线充电领域具有重要的应用价值。关键词：无线电能传输技术；隔离电源；控制器Development of Isolated Power Controller Based on Radio Energy Transmission TechnologyZHANG Haiyu(Shangrao Zhongsheng Hydropower Industrial Co.,Ltd.,Shangrao 334100,China)Abstract:The isolated power controller based on wireless power transmission technology is studied.Traditional isolated power supply has potential safety hazards and inconveniences,and wireless power transmission technology can solve these problems.By analyzing the power and efficiency of wireless power transmission system,an isolated power supply technical scheme based on wireless power transmission technology is proposed,and the stability and reliability of the controller system are evaluated.The research results show that the isolated power controller based on wireless power transmission technology has broad application prospects,and has important application value in the fields of electronic equipment and wireless charging.Keywords:radio energy transmission technology;isolated power supply;controller0 引 言随着电源技术的不断发展和创新，传统的隔离电源使用导线传输电能存在安全隐患和限制，因此需要一种更安全、高效的电源供应方式。无线电能传输技术作为一种应用潜力巨大的解决方案，成为了研究和开发的重点。本文主要研究基于无线电能传输技术导向下的隔离电源控制器研制。电能可以通过电磁场实现无线传输，避免了传统导线传输带来的安全问题，并提供了更大的便捷性。隔离电源控制器作为电子设备中常用的电源供应方式，其研制和改进具有重要意义。1 无线电能传输理想模型功率与效率分析理想情况下，无线电能传输的功率与效率应该达到最大化。功率大小与发射端的电源输出能力和接收端的负载需求有关，效率则涉及无线电能传输过程中的能量损失，主要包括发射端到接收端之间的传输损耗、接收端的电能转换损耗以及负载电能利用效率等1。无线电能传输系统近似等效为如图 1 所示的电路。其中：Uin为高频交流电压源；L1、C1、R1为发射端线圈的电感、匹配电容、内阻；L2、R2、C2分别为接收端线圈的电感、内阻、匹配电容；RL为负载电阻；M 为 L1、L2之间的互感。UinR1L1C1ML2C2R2RL图 1 无线传输理想模型图 1 中，电路特性表示为 11in22jj0ZMIUMZI=（1）为角频率，Z1为发射端的回路阻抗，可以表示为 ()()11in22111122L22i022inLout2212jj01jj1jj1,1,2ZMIUMZIZRLC=+（2）Z2为接收端的回路阻抗，表示为 ()()11in22111122L22i022inLout2212jj01jj1jj1,1,2ZMIUMZIZRLCZRRLC=+（3）线圈谐振角频率的计算公式为 ()()11in22111122L22i022inLout2212jj01jj1jj1,1,2iLC=（4）负载 RL上的输出功率 Pout为收稿日期：2023-08-04作者简介：章海钰（1990），男，江西上饶人，本科，助理工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 134 ()()22inLout2212UMRPZ ZM（5）发射端的输入功率 Pin为 ()2in2in212UZPZ ZM（6）系统传输效率 可以表示为 ()()2L2212100%1j0j1j0jUZPZ ZMMRZZ ZM（7）当耦合系数 k 非常小时，则这 2 个极值点所对应的频率相近，即 L1、C1与 L2、C2的串联阻抗为 0，则有 1122100%1j0j1j0jUZPZ ZMMRZZ ZMLC（8）22100%1j0j1j0jLC（9）从而得出 Z1=R1（10）Z2=R2+RL（11）最终的输出功率和效率为 ()()()22inLout2212LUMRPR RRM（12）()()()()222L12L100%LMRRRR RRM（13）可以根据无线电能传输系统的参数如传输距离、天线面积、能量密度等，计算系统在理想模型下的功率和效率2。2 基于无线电能传输技术的隔离电源技术方案2.1 电磁转换发射模块在电磁转换发射模块中，通过直流电源提供输入电能，电磁转换发射模块中的电路会将直流电能转换为高频交流电能。这一转换通常通过谐振振荡电路或开关转换电路实现。谐振振荡电路利用共振电路的特性，在特定频率上实现高频振荡。开关转换电路则通过切换开关元件的状态，将直流电源的能量转换为高频脉冲信号。电磁转换发射模块中的高频电能会被传输到天线上，天线将其转化为电磁辐射能量并发射出去3。2.2 磁电转换接收模块磁电转换接收模块是一种利用磁电转换原理将电磁能量转化为电能的装置，主要基于电磁感应现象。当磁电转换接收模块处于电磁辐射场时，其中的磁性材料会与外界的磁场发生相互作用。这种相互作用会导致磁性材料中自由电荷的运动，从而产生电流。接收模块中的线圈或电极装置会捕捉到这个电流并将其导出。通过接收到的电流，磁电转换接收模块可以将电磁辐射能量转换为直流电能。这种转换利用了电磁感应法则中的法拉第定律，即当一个导体被磁场穿过时，通过导体的闭合回路会产生电流。2.3 充电管理模块充电管理模块通常由微控制器或专用充电管理芯片组成。通过提供精确的电流和电压控制，充电管理模块可以根据充电需求和电池特性调整充电参数，确保充电的安全性和效率。此外，充电管理模块配备了多种保护机制，如过流保护、过压保护、温度保护以及短路保护等，以保障充电的安全性和可靠性。在充电过程中，充电管理模块能够实时监测充电状态，包括电池电压、电流以及充电时间等4，可以及时判断充电完成的标志并做出相应处理，如断开电源或者进入维护模式。充电管理模块还能提供多种接口和通信功能，方便充电状态的监控和控制。3 样机性能测试3.1 控制器系统对外输出电压测试测试控制器系统测试旨在验证控制器系统能够输出稳定可靠的电压，以满足外部设备或负载的电力需求，确保电源控制器在正常工作的前提下，随机选择输入电压进行测试。使用电压表和示波器测试电源控制器在不同工作状态下的输出电压稳定性与纹波参数，主要包括市电供电下的空载状态、带负载工作状态以及电池供电情况下的空载和带负载工作状态。测试中应接入一个单个数据采集器作为负载，稳定工作功率为 3 W。为了评估市电供电下的输出电压稳定性和纹波参数，输入市电 224 V 系统的输出电压测试如表 1 所示，蓄电池供电系统的输出电压测试如表 2所示。3.2 控制器系统长时间持续供电测试控制器系统的长时间持续供电测试是为了验证系统在实际应用中连续工作的能力和稳定性5。该测试旨在检查系统的电源管理、散热性能以及稳定性，以确保在长时间运行的情况下，系统能够保持正常的功能和性能。在进行长时间持续供电测试之前，需要确保系统处于正常操作状态，并且所需的外部设备和负载已正确连接。测试期间应记录系统的运行时间、电压、电流以及温度等关键参数。在采用市电供电的工作模式中，系统负载为单个数据采集器，稳定工作 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 135 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 章海钰：基于无线电能传输技术的 隔离电源控制器研制表 1 输入市电 224 V 系统的输出电压状态表头电压/V输出电压最大纹波峰峰值/mVRMS 值/V不充电空载12.061012.01带负载12.042311.96充电空载12.06612.01带负载12.042511.97表 2 蓄电池供电系统的输出电压状态表头电压/V输出电压最大纹波峰峰值/mVRMS 值/V空载12.05612.01带负载12.042311.97时间/h12.08 V12.1112.1012.0912.0812.0712.0612.0512.0412.0312.021 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63电压/V图 2 负载端的输入电压1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63时间/h0.29 A0.40.30.20.10.0电流/A图 3 负载端的输入电流功率为3 W，每2 h读取一次负载端输入电压、电流值，得到如图 2、图 3 所示的负载端输入电压、电流曲线。测试结束后，需要评估记录的数据并进行分析。如果系统在长时间持续供电测试过程中出现故障或异常情况，则需要进行故障排查和修复；如果系统能够在持续供电测试中稳定运行，则可以确认其具备长时间稳定供电的能力。4 结 论本文基于无线电能传输技术，研究并提出了一种基于无线电能传输技术的隔离电源控制器。通过对无线电能传输系统理论的分析，以及对电磁转换发射模块、磁电转换接收模块和充电管理模块等技术方案的设计与实现，可以有效解决传统隔离电源存在的安全隐患和便捷性问题。通过样机性能测试，可以验证控制器系统的性能表现，并通过长时间持续供电测试评估其稳定性和耐久性。参考文献：1 蔡 华，史黎明，李 勇，等.基于谐波移相闭环控制的无线电能传输技术J.电工技术学报，2018，33（增刊 1）：1-8.2 林 将，谢 岳.基于半控整流电路的无线电能传输技术的研究 J.电子技术应用，2019，45（4）：127-130.3 范祖良.基于 RFID 的无线电能传输系统智能控制器的设计J.无线互联科技，2019，16（14）：9-10.4 盛万红.基于移相控制的恒流充电无线电能传输系统研究 J.电工技术，2018（14）：99-101.5 刘洪亮，辛晓虎，欧干新，等.基于光纤传能技术的输电线路监测终端研制J.河北电力技术，2022，41（5）：57-61.