2014年---外文翻譯---130w磁耦合式無線充電變送器（譯文）

1、<p>　　中文3540字,2760單詞，14600英文字符</p><p>　　出處：Kim S M, Moon J I, Cho I K, et al. 130W power transmitter for wireless power charging using magnetic resonance[C]//Telecommunications Energy Conference (INTELE

2、C), 2014 IEEE 36th International. IEEE, 2014: 1-5.</p><p>　　130W磁耦合式無線充電變送器</p><p>　　Seong-Min Kim, Jung-Ick Moon, In-Kui Cho, Jae-Hoon Yoon, Woo-Jin Byun </p><p>　　摘要——本文提出了一種利用磁諧振

3、進行無線電能傳輸?shù)碾娔茏兯推?。該變送器由DDS(Direct Digital Synthesizer)（產(chǎn)生RF信號），F(xiàn)類功率放大器（放大RF信號至130W），F(xiàn)SK模塊（與接收端通信），直流交流變換器（為控制電路提供直流電）組成。其工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ，其輸出功率以2W為步進從1W到130W可調(diào)以適應(yīng)1.7MHZ帶寬的無線充電系統(tǒng)。為了控制輸出功率，功率放大器的偏置電壓從30V到105V可調(diào)。利用分析回波損耗的方法，

4、該電能變送器具有頻率搜索和保護的功能。為了實現(xiàn)回波損耗的測量，我們使用了一個雙向耦合器和兩個電能監(jiān)測電路。從電能變送器的測量可得，在50W到130W的范圍內(nèi)，DC to RF 變換器的變換效率超過了80%。</p><p>　　無線充電系統(tǒng)能應(yīng)用于現(xiàn)有的電能變送器。該系統(tǒng)是為12V鋰-鐵電池的充電而設(shè)計的，這種電池常被使用在代步交通工具上。在電能發(fā)射器和接收器之間使用424MHZ的FSK通信系統(tǒng)不僅可以進行輸出功

5、率的控制還可以保證電能傳輸效率。充電過程中，系統(tǒng)的平均效率大約是50%。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線電能、能量傳輸、功率控制、磁耦合</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　自從2007年磁諧振無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)被發(fā)表以來，許多理論和研究轉(zhuǎn)向了適用于手機等的低功率電子設(shè)備和電動車的大功率電子設(shè)備，使得這些電子設(shè)備商業(yè)

6、化。但是對于中等功率的無線電能傳輸研究還很匱乏。中等功率部分與人們的生活聯(lián)系的更加緊密，因為在家中和辦公室里，許多用電設(shè)備都是中等功率的。為了給人們生活提供更大的便利和靈活性，中等功率的無線電能傳輸系統(tǒng)注定會被實現(xiàn)。目前有兩種非常有潛力的可應(yīng)用于中等功率的技術(shù)。第一種是磁感應(yīng)，第二種是磁諧振。其中磁感應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于低功率充電設(shè)備，例如手機等。磁感應(yīng)方式在短程能量傳輸方面具有許多優(yōu)勢，例如接近變壓器的效率，線圈尺寸小，但是其同時也限制了設(shè)備

7、本身的空間位置，而且當(dāng)多設(shè)備同時連接時具有先天缺點。而另一方面，磁諧振技術(shù)在傳輸距離和設(shè)備空間位置的靈活性方面具有許多優(yōu)勢。所以磁諧振技術(shù)更適用于中等功率的無線電能傳輸。</p><p>　　本文介紹了磁諧振式無線電能變送器，該變送器主要由DDS(Direct Digital Synthesizer)，F(xiàn)類功率放大器，回波測量模塊，F(xiàn)SK (Frequency Shift Keying)模塊，微控制器MCU等組成

8、。其工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ可調(diào)，主要工作于1.7MHZ頻段。最大輸出功率為130W，以2W為步進從1W到130W可調(diào)。當(dāng)輸出功率在50W到130W之間的時候，DC to RF 能量轉(zhuǎn)換器的效率超過80%</p><p><b>　　電能變換器的設(shè)計</b></p><p>　　電能變換器，如圖1所示，由DDS（產(chǎn)生RF信號），F(xiàn)類功率放大器（放大RF信號

9、至130W），回波測量模塊（測量電能變換器輸出的回波損耗以便于搜索最優(yōu)工作頻率和防止反射功率損壞電路），F(xiàn)SK模塊（與接收端通信）和MCU微控制器（控制電能變換器的運行）。為了達到最大的無線電能傳輸效率，最優(yōu)的頻率搜索功能和輸出電能控制功能已經(jīng)集成到電能變換器里去了。</p><p><b>　　DDS模塊</b></p><p>　　DDS模塊是作為信號源來產(chǎn)生RF

10、射頻信號的。為便于磁諧振式無線電能傳輸，信號源必需有很快的鎖定時間和很高的頻率分辨率。有很多方式來產(chǎn)生信號，其中DDS具有很快的鎖定時間和很高的頻率分辨率。AD9912芯片被應(yīng)用于DDS模塊。圖2所示為DDS模塊的電路原理圖。左邊是DDS芯片，右邊是DDS芯片的時鐘電路。如圖2所示，960MHZ的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器被用來產(chǎn)生準(zhǔn)確的單個的信號和1HZ頻率。</p><p><b>　　F類功率放大器</b&

11、gt;</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的整體效率，適用于無線電能傳輸系統(tǒng)的電能變送器需要大功率的RF射頻輸出信號。開關(guān)式放大器可適用于大功率的放大器。理論上，開關(guān)放大器的直流DC轉(zhuǎn)射頻RF的效率可達到100%，包括D類，E類，F(xiàn)類放大器。D類放大器是推免式結(jié)構(gòu)，由兩個工作于開關(guān)狀態(tài)的晶體管組成，而E類和F類放大器只使用一個晶體管。</p><p>　　本文使用F類的功率放大器來實現(xiàn)大功率

12、和高效率的RF射頻信號。F類功率放大器的電路原理圖如圖3所示。功率MOSFET管ARF 512，由“Advanced Power Technology”公司制造，被用于輸出130W的大功率。為了限制輸出信號的諧波分量，兩個串聯(lián)的諧振電路被用來消除2倍和3倍的諧波頻率。</p><p>　　可變的偏置電壓被用來控制電能變換器的輸出功率。為了得到此可變偏置電壓，AC to DC 變換器的輸出電壓范圍需要在直流30V到

13、105V之間。在偏置電壓的控制下，變送器的輸出功率可以實現(xiàn)以2W為步進，從1W到30W可調(diào)。微控制器MCU可根據(jù)與無線電能系統(tǒng)的通信信號來調(diào)整輸出功率的大小。</p><p><b>　　回波損耗測量模塊</b></p><p>　　此回波損耗測量模塊專門應(yīng)用于電能變送器以實現(xiàn)最優(yōu)的頻率搜索功能和電路保護功能。這個模塊包含了一個-40dB的雙向耦合器和兩個功率測量電路

14、。變送器的輸出和反射功率的一部分可以通過雙向耦合器提取出來并且通過兩個功率測量電路轉(zhuǎn)換成直流信號，如圖4. 每一個功率測量電路都是測量功率的有效值的（RMS）。被轉(zhuǎn)換的直流信號被送到微控制器MCU來對回波損耗進行計算。</p><p>　　回波損耗測量的數(shù)據(jù)可以很好的實現(xiàn)頻率搜索功能。在系統(tǒng)剛開始運行的時候，輸出信號的頻率從1.6MHZ逐漸變到2.0MHZ，同時每個頻率下的回波反射被測量。測量結(jié)束后，最大的回波反

15、射頻率就可以被挑選出來。為了防止電路被反射功率燒毀，參考回波損耗定為4dB?；夭〒p耗被捕間斷地測量，一旦回波損耗數(shù)值低于參考值，變送器的輸出信號就停止了，因此變送器不會被反射功率信號燒毀。</p><p><b>　　FSK模塊</b></p><p>　　FSK（(Frequency Shift Keying）模塊是用來在變送器與接收器之間通信的。無線電能傳輸?shù)倪^程

16、由通信模塊控制。FSK的通信速率是9.6kbps，通信頻率是424.70MHZ。FSK模塊的芯片是由“RF TECHWIN Co. Ltd”公司生產(chǎn)的iRF4020P。</p><p><b>　　實驗和測量</b></p><p>　　此130W的電能變送器被做成了一個410mm*250mm*90mm的封閉金屬盒子。所有原件都集成于此盒子中，并且用同軸電纜與RF射頻

17、模塊連接。此變送器有一個額外的電腦，被用來手動控制頻率和功率，以及進行人機界面(GUI)的顯示與操控。</p><p>　　傳輸效率是無線電能傳輸?shù)囊粋€重要指標(biāo)。DC to RF轉(zhuǎn)換效率占了整個系統(tǒng)效率的很大一部分。DC to RF 轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)平均效率如圖5所示。變送器的輸出頻率是1.8MHZ。如前所述，可調(diào)節(jié)的偏置電壓能夠在輸出功率范圍內(nèi)維持DC to RF 的轉(zhuǎn)換效率。如圖8所示，DC to RF 的轉(zhuǎn)換

18、效率在50W到130W之間能夠超過80%，在10W到130W之間能夠超過70%。</p><p>　　如圖6，輸出諧波抑制器的特征頻率是1.78MHZ，輸出功率是100W。二次諧波抑制能力是-40.53dB，三次諧波抑制能力是-25.15dB。</p><p><b>　　應(yīng)用</b></p><p>　　無線電能傳輸系統(tǒng)由電能變送器實現(xiàn)，以確

19、保變送器的可行性。該系統(tǒng)采用磁諧振方式，變送頻率是1.8MHZ。應(yīng)用型無線充電系統(tǒng)是由助力車上的12V 20Ah 的鋰鐵蓄電池。</p><p>　　為了提高系統(tǒng)效率，發(fā)送端的諧振線圈與接收端的諧振線圈之間的功率變換效率需要盡量提高。諧振線圈間的效率與線圈的品質(zhì)因素Q，諧振線圈的阻抗匹配和電路的原件都有很大的關(guān)系。串聯(lián)的品質(zhì)因數(shù)與線圈的電感和諧振頻率成正比與線圈的電阻成反比。為了獲得更遠的無線傳輸距離，品質(zhì)因數(shù)Q

20、的值應(yīng)該盡量提高。為了提高品質(zhì)因數(shù)Q值，諧振線圈需要優(yōu)化設(shè)計。阻抗匹配是另外一個影響傳輸效率的因素。一個額外的集成原件，例如電容用來實現(xiàn)阻抗匹配。</p><p>　　本裝置設(shè)計使用了兩個諧振線圈，每一個諧振線圈由兩個螺旋線圈組成，用來提高電感值和進行阻抗匹配。發(fā)射線圈和接收線圈的直徑分別為48cm和20cm，以確保傳輸時的空間自由度。在20cm以內(nèi)，發(fā)射與接收線圈間的效率超過70%。由圖7可得10cm時的傳輸效

21、率。</p><p>　　接收器和充電電路都實現(xiàn)了，接收器可以將接收到的射頻功率信號轉(zhuǎn)換成直流信號。接收器使用了全橋二極管整流結(jié)構(gòu)，還包括匹配電路，保護電路。保護電路是專門用來保護接收器和充電電路不被過電壓和過電流輸入燒毀。充電電路用來對12V, 20Ah的鋰鐵電池進行恒流充電。在充電電路部分，F(xiàn)SK模塊用來與發(fā)送端通信。通過使用FSK通信，傳輸?shù)倪M程和傳輸?shù)墓β时豢刂埔跃S持系統(tǒng)效率</p><

22、;p>　　無線電能傳輸?shù)倪^程被分為4個階段。第一階段是等待充電開始。在這一階段，變送器的輸出關(guān)閉，等待啟動信號。第二階段是充電開始階段，完成發(fā)送端與接收端的初始連接。通過回波損耗測量，找到最合適的傳輸頻率。第三階段是充電控制階段。接收器和電池的狀態(tài)信息通過FSK傳輸給發(fā)射器，發(fā)射器端的MCU計算得出發(fā)射器的發(fā)射功率并控制發(fā)射器發(fā)射功率。在這一階段，狀態(tài)信息每100ms更新一次。最后階段是充滿和結(jié)束階段。在這個階段，電池電壓會被反復(fù)

23、檢查，如果電池電壓高于滿電電壓，無線充電過程就停止。充電結(jié)束后，發(fā)射器和接收器都返回至第一階段。通過這四個階段，無線充電實現(xiàn)了自動運行，如圖8所示。</p><p>　　如圖9所示，發(fā)射器和發(fā)射諧振線圈都集成在發(fā)射臺上，接收諧振線圈，RF射頻接收器和充電電路被安裝在助力小車上。通過測量，系統(tǒng)在充電工程中的DC to DC 平均效率大約是50%。</p><p><b>　　總結(jié)&

24、lt;/b></p><p>　　本文提出了一種無線電能變送方案。變送器包括DDS模塊和F類功率放大器部分。工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ，輸出功率從1W到130W不等?；夭〒p耗測量模塊用來搜索最合適的傳輸頻率，F(xiàn)SK模塊根據(jù)通信消息來控制輸出功率，以保證傳輸效率。在50W到130W之間，DC到RF的轉(zhuǎn)換效率為80%。為了驗證此功率變送器的實用性，無線充電系統(tǒng)被用來對一塊助力車的12V, 20Ah鋰鐵