一种基于串联谐振的无线充电发射电路

专题技术

DCW

一种基于串联谐振的无线充电发射电路

何高翔，邓垚光，陈泳林，王文烽

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，厦门 361024）

摘要：文章针对小功率的无线充电系统发射端进行设计，基于串联谐振补偿拓扑结构，设定145 kHz的工作频率，计算合适的线圈自感、电容等参数，并通过PSIM软件搭建主电路，分析发射端电压波形，最后制作发射端实物样机对无线充电方案的可行性进行验证。

关键词：发射端；电磁感应；线圈；传输效率doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2020.03.032中图分类号：TN915.03 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）03-0055-02

1 串联谐振电路建模分析

近几年来，无线充电技术受到了广泛关注，它通过连接在发射和接收端的线圈之间的电磁感应将发射端的能量传输到接收端，给负载供电。由于不需借助实际的传输导线，因此具有更高的安全性和可靠性。无线充电的方式有多种，本文针对目前市场上常见的、技术较成熟的电磁感应式无线充电技术展开研究，设计无线充电电路的发射端。假定电压源Us是正弦交流电压，其角频率为ω，依据相量法，电路的输入阻抗为：

谐振频率计算公式为： 谐振时电感与电容两端电压关系为：

特性阻抗与电阻比值Q为： 可得电感与电容两端的电压分别为：

（4）

图2 发射端电压波形

图1 主电路等效模型

（1）

（2）

（3）

（5）（6）

输入电压V1/V10.511.011.512.012.5

输入电流I1/

A

0.930.870.810.750.71

表1 改变输入电压测试结果

输出电压V2/V11.8511.8711.9111.9311.96

输出电流I2/

A

0.590.590.590.600.60

输入功率P1/W9.779.579.329.008.88

输出功率P2/W6.997.007.037.167.18

效率0.7160.7310.70.7950.808

由式（3）、式（5）及式（6）能得出，谐振时各元件电压的关系为：

（7）

综上可得出，该电路在谐振时，串联的电容和电感理论上相当于导线，流过电路电流达到最大值，此时，电源只提供有功损耗。

2 主电路线圈及补偿电容分析

系统开关频率是一个影响充电系统输出功率以及传输损耗的重要因素。本文的研究对象为小功率无线充电系统发射端，为了降低无线充电系统的传输损耗，需要选取合适的开关频率。综合对比分析，本文将发射端工作频率设为145 kHz，再根据式（2）可确定补偿电容的大小，其值为215 nF。由理论计算结合实际应用情况选用SWA53N53H30C11B型线圈，其电感值为10 uH。发射端主控芯片采用IDT公司生产的P9242芯片，具有低功耗、能指示电路状态的优点。利用PSIM软件搭建的无线充电电路仿真模型如图1所示，发射端输出电压波形如图2所示。当频率为145 kHz时电路发生谐振，测得发射端与接收端电压波形保持同步，说明电路参数选取正确、方案可行。

通过实验测试发现，充电效率随电压下降而降低，在电压变化幅度不大的情况下，效率能够稳定在70%以上。当输入电压保持不变时，改变负载电阻，观察不同输出功率下充电效率的变化情况，可知，随着输出功率的减小，充电效率也大幅下降。

表2 改变电阻充电测试结果

负载电阻R1/Ω

10152550100

输入电流I1/

A

1.340.970.610.340.20

输出电压V2/V11.8211.8311.8411.8511.87

输出电流I2/

A

1.120.790.470.230.11

输入功率P1/W16.0811.7.324.082.40

输出功率P2/W13.429.355.562.731.31

效率0.8230.8020.7600.6680.4

4 结束语

本文对串联谐振无线充电系统的发射端进行了理论分析与实验研究，首先计算得到无线充电系统各元器件参数，然后利用PSIM搭建系统的仿真模型并测试发射端电压和接收端电压是否同步，最后通过实验验证电路可行性。实验表明，为了获得较高的电能传输效率，该串联谐振无线充电发射端适用（下转第72页）

3 实验验证

发射端由P9242芯片实现145 kHz的SPWM逆变，接收端为

8 uH线圈，发射线圈与接收线圈垂直距离为4mm，负载为20Ω，改变输入电压，得到测试结果如表1、表2所示。

基金项目：本成果由国家级大学生创新训练项目（编号：2018110621000）资助。

2020.03数字通信世界55

D专题

IGITCW技术

Special Technology

3 5G前传网络对基础资源的需求

通过5G前传部署方式对比，C-RAN集中式前传部署对现网汇聚机房、光缆、管道等基础资源需求量大，需提前做好以下储能规划：

汇聚机房：作为综合性机房，应结合各专业网络演进及结构调整进行规划，在满足近期需求的同时，应快速进行资源储备，确保网络长期稳定发展。

光缆：按一个综合业务接入区2个汇聚机房，包含4-6个一级分纤点，8个以上二级分纤点，预计接入20个以上基站，平均集中到2个汇聚机房的模型测算纤芯需求。如图4所示。

（2）在规划AAU归属DU时应以微网格为单位进行合并融合，形成前传网格，确保末端接入的唯一性和有序性，如图5所示。

图5 前传网格示意图

（3）DU集中机房位置等同于业务汇聚机房。应结合业务分布，5G基站部署情况，统筹规划考虑，一般情况下，每个综合业务接入区需要3~4个DU集中机房。

（4）5G C-RAN前传网络与综合业务接入区接入光缆网络构架融合演进，具体如下：

①优先利旧现网基础资源，并按需改造和新建补充。②新增业务汇聚机房。③新增业务汇聚层光缆。

④新增一级分纤点至业务汇聚机房主干接入光缆。⑤方案内容，如表3和图6所示。

表3 建设方案表

序号1234

项目业务汇聚机房业务汇聚层光

缆

主干接入光缆

容量一级分纤点至业务汇聚机房主干接入光缆

单位原综合业务接入区个芯芯芯

无无

以144芯为主，部分密集区使用288芯

无

根据5G前传不同需求，新建96-288芯光缆

面向5G的调整（粗字体为变化）平均每个接入区3~4个（可利旧汇聚机房+新建业务汇聚机房）

需求少，优先利旧现有主干144芯光缆资源，个别段落资源不足时补缆

图4 纤芯需求预测模型图

根据以上测算结果：现网主干144-288芯，集中部署单段消耗12-30芯；现网配线48-96芯，集中部署单段消耗6-24芯；越靠近DU集中部署的机房，纤芯消耗数量越大。当同时考虑2/4/5G等基站时，需要的纤芯数量会更多，应及时摸排、梳理现网纤芯资源，并唤醒哑资源的使用。

按单个微网格预测：面向未来3~10年，“传输+无线”纤芯需求至少为104芯，其中，传输需求：按覆盖家宽、集客2000用户计算，需求纤芯数量是32芯；无线需求：按24个基站配置，考虑单纤双向后，纤芯需求为72芯。如表2所示。

表2 单个微网格内无线专业纤芯需求测算表

基站

基站数4

5G基站

12

4G基站（TDD-LTE）4G基站（FDD-LTE）

合计

222224

频段低频段 （2.6GHz）高频段 （28GHz）F频段D频段900M频段1800M频段

单站RRU/AAU数

333333

纤芯需求纤芯需求（原始需求）（单纤双向后）

247212121212144

1224666672

567

原有576芯光交按需扩容1152芯；新建光

一级分纤点容以576芯为主，部分

端子交以576芯为主，部分密集区可以放宽使

量使用1152芯

用1152芯

综合考虑单纤双向、设备复用等手段满

配线光缆芯以48芯为主

足5G前传，以48芯为主，按需扩容

二级分纤点容

端子以288芯为主部分密集区可以放宽使用576芯

量

管道：5G前传需新建大量光缆，相应需占用大量管孔资源，应遵循“开源节流”的原则。加快打通城区管道断点确保管道贯通。

4 5G前传网络与综合业务接入区接入光缆网的融合演进

根据统计，至2018年中国移动现网光缆规模超过1400万皮长千米；光纤使用量达到1.3亿芯千米；其中，综合业务接入区接入各类业务光缆长度占比约85%。各类汇聚机房和宏站约38万个。充沛的基础网络资源是中国移动依托综合业务接入区接入光缆网承载5G前传网络的重要保障。根据5G C-RAN前传部署特征，综合业务接入区接入光缆网相应做以下融合演进：

（1）5G C-RAN区的规划应综合考虑基站部署特征、基础网络资源、机房情况等，规划区域边界与综合业务接入区边界相吻合，不得跨综合业务接入区规划部署。

图6 5G C-RAN前传网络与综合业务接入区接入光缆网络构架融合演进示意图

5 结束语

通过网络构架融合演进，做到5G前传网络与现有综合业务接入区接入光缆网结构统一，激活存量资源，对中国移动5G网络的建设取到积极促进作用。参考文献

[1] 企业标准.中国移动综合业务接入区建设指导意见[S]，2017.

[2] 企业标准.中国移动综合业务接入区分区域分场景规划建设要求[S]，2018.[3] 企业标准.中国移动5G省内传送网规划建设指导意见[S]，2019.

（上接第55页）于小负载电路。参考文献

[1] 张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证[J].中国电机工程学报，2012，32（21）：153-158.

[2] 周豪，姚钢，赵子玉，等.基于LCL谐振型感应耦合电能传输系统[J].中国电机工程学报，2013，33（33）：9-16.

[3] 邱钊鹏，王彰云，李晖，等.一种基于串联谐振补偿拓扑的电动汽车变压式无线充电系统[J].电子器件，2018，43（3）：667-671.

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