关键词：公共电动自行车；谐振；无线充电

【中图分类号】TN751.2 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2019）03-0000-00

1 引言

进入家用电器时代，聪明的人类以电缆传输为主要途径，使得电能广泛地使用在生活的方方面面。近些年以来，公共电动自行车作为一种效率高，使用便捷，且价格低廉的公共交通工具，越来越受到人们的欢迎，如图1所示，为一种公共电动自行车的展示。

                   图1 公共电动自行车

然而新的便利也将带来新的问题，公共电动自行车的出现带来了自身充电难的问题。诸如充电设备不齐全、充电装置携带不方便等难题，更有往日通过线缆传输电能的充电设备因为乱拉电线而造成事故。正基于这些问题，本文提出了一种无线化、高效率的公共电动自行车谐振式无线充电装置。

基于电能传输原理和传输途径的不同，迄今为止，在电能传输的研究圈里无线电能的传输方式主要有三种^[1]：其一为谐振耦合式，另有两种分别是电磁感应耦合式和微波辐射式。此外还有利用电场耦合、超声波、激光等其他新兴的电能传输方法，但目前都还处在初级的研究阶段。

1.1 电磁感应耦合式无线充电技术

电磁感应耦合式无线充电技术^[2]是基于变化的磁场产生感应电流的理论提出来的，电磁感应耦合式电能传输原理如图2所示。工作原理类似于变压器的电能转换。基于电磁感应耦合理论的无线电能传输系统中，发射端线圈与接收端线圈之后的耦合对方向性要求较高，相对垂直时几乎不会耦合，更重要的一点是对距离限制很大，一般只能在很短的距离内供电。

                             图2  电磁感应耦合式电能传输原理图

1.2 微波辐射式无线充电技术

微波辐射式（Microwave Power Transmission，MPT）电能传输原理^[3]如图3所示。

                                图3 微波辐射式电能传输原理图

系统首先将电能转化为微波形式，通过天线远距离发射，经过自由空间的传播，最后由收端接收到信号，经过整流电路将其转换成直流电对负载进行供电。然而，虽然利用微波输电可以实现较远距离的电能传输，但传输功率较小，且微波传能系统一般多应用于特殊场合，如微波飞机、卫星太阳能电站等。

1.3 谐振式无线充电技术

谐振式无线充电技术^[4]主要是基于非辐射近场谐振强耦合理论而成立的，也是本文要重点介绍的公共电动自行车无线充电技术。其基本原理是利用两个具有相同频率的物体作为介质实现高效的能量交换。与感应耦合式相比，它能实现较长距离高效的电能传输。此外，基于谐振式的无线电能传输系统可为两个及以上的设备同时无线供电。

2 公共电动自行车谐振式无线充电的原理

所谓无线充电，顾名思义，是无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）的一种应用，又被称为非接触电能传输技术（Contactless Power Transmission, CPT）。是指具有能够储存电能的装置在不需要借助金属导线以及其他物理连接的条件下，借以电场、磁场等空间无形的介质为传输途径，在发端将电能输出，收端进行电能接收并储存下来的技术。谐振式无线充电技术是基于电磁波感应原理以及其他相关的交流感应理论而成长起来的一种技术。充电装置构成如图4所示，主要由提供给整个系统直流电的电源部分、逆变电路、谐振电路、整流滤波电路、升压电路以及负载组成。
   




                                                                                                                                                                                                                                                                                           




  图4 谐振式无线充电装置的理论组成

电源部分用来给整个公共电动自行车充电系统提供直流电。逆变电路采用高频逆变原理将直流电转换为交流电。谐振电路由原边谐振和副边谐振共同组成，原边谐振电路接收来自于经逆变器转换后的交流电，再通过谐振电路的磁场耦合将电能传输至副边谐振电路。整流滤波电路将来自于谐振电路的交流电经过整流滤波后转换为直流电。最后经过升压电路将其转换为能够满足负载需要的电压，本系统所采用的升压电路为Boost斩波器，Boost升压电路通过控制开关器件将输入直流电转换为另一种直流电；在本设计中，则作为负载的阻抗匹配及功率调节器，其转换效率高，且输出可控，能够完全满足无线充电系统的要求。而本设计系统的负载便是公共电动自行车。

3 谐振式无线充电装置的核心设计

无线电能传输装置的系统设计中，其构成主要基于三个问题。

3.1 逆变电路的设计

逆变电路是保证电能能够顺利传输的基础。逆变频率越高，电能的传输效率便越高。对本系统而言，必然要求干扰信号越小越好。而桥式逆变电路获得的谐波量非常小，而且逆变频率高，满足本设计系统的要求。如果负载发生谐振，电流可保持与电压同相位，可以达到零电压、零电流开关，可将开关损耗降至最低。如图5所示，为桥式逆变电路原理图。

                         图5 桥式逆变电路原理图

3.2 谐振电路的设计

谐振电路是本设计公共电动自行车谐振式无线充电装置的核心。无线充电系统能够有效地完成电能在一定距离内的传输，其关键就在于谐振拓扑电路是否可以真正地接近完全谐振。本系统采用 LC 串联谐振的方式实现原/副边能量的耦合。原边电路采用串联谐振可以承担线圈产生的电动势，减小对逆变电路中开关器件的损害，且可提高原边谐振电路的功率因数。副边电路采用串联谐振，负载的电压不会因为负载的大小变化而发生变化，这将为系统输出的稳定性奠定基础。

3.3 整流滤波电路的设计

整流滤波电路的作用是将交流电转换为脉动直流电。考虑到系统的整流效率和效果，又考虑到本电路中二极管所承担最大反向峰值电压的大小，本系统采用桥式整流电路其原理如图6所示。

                                                              图6 桥式整流电路原理图

经过整流所得到的直流电中仍然存在着少量交流纹波，所以不能直接供电给负载，为此本系统采用滤波电容通过充放电的功能来滤除于系统无用的交流纹波。

4 谐振式无线充电的优势

就目前公共电动自行车的发展形势来讲，无线充电技术正处于供电技术对的前沿，是正值得研究  的热点。本文中谐振式无线充电装置具有很多优势：

首先就其能量的传播形式来讲，供电端和负载之间没有物理连接，这与传统充电技术中使用笨重的电缆相比，其便捷之处十分显著。再就其安全性来讲，谐振式无线充电装置能量发射端可以做成完全封闭的结构，哪怕是在潮湿的环境中，也不用担心常常发生在有线充电设备上的漏电问题。又因为谐振式无线充电的原理是基于频率相同的两物体间的强耦合作用，则对于功率相似的待供电设备，可以采用相同的耦合装置，这会在很大的程度上节约空间。

5 总结

在电子产品普及人类生活方方面面的今天，随着科技的不断发展，人们的要求越来越高，精求效率，也精求其便捷性。而公共电动自行车谐振式无线充电装置无论从效率高低来讲，还是就其便捷性来讲，都是处在能量无线化传输的前沿。   

谐振式无线充电技术不仅具有给多个设备同时供电的优势，而且能满足较远距离的能量传输。就其发展前景和应用前景来讲，在公共电动自行车倍受人们欢迎的今天；又因为有线充电设备自身具有很多缺陷，比如有线设备占用空间大、安全性能低等；而对于谐振式无线充电装置，其密封性良好，安全性能高。在这样的对比情况下，无线充电设备的发展前景以及其应用前景固然十分广阔。当然在迅速发展的今天，用户将对无线充电设备的要求定会越来越高，所以对公共电动自行车谐振式无线充电装置的研究仍然在路上。