【導讀】現(xiàn)如今面對能源應用的創(chuàng)新在學界和電能產業(yè)界中持續(xù)增加，目標是當電能出現(xiàn)的時候能夠被充分的應用，可再生能源在這方面表現(xiàn)最為搶眼，例如太陽能電池板、風力發(fā)電以及其他自然資源，它們被轉換成電能之后用于不同的目標，比如支持現(xiàn)代化建筑運行、驅動可移動設備。有時將這種能源轉換成為“能源收割”。
電能應用技術中有一個共同目標，那就是能源應用的便捷性，即在所需時能夠立即有充足能量提供。特別是對移動設備，減少對電網的依賴就十分重要，消除設備上供電電纜可以提高設備應用的便利性。因此，使用無線充電（也稱為無接觸電能轉換：Contactless Power Transfer）技術可以解決設備供電問題，提高了設備應用的舒適和方便特性，特別是不再有被電擊的可能性。
無線充電在電動車應用中非常方便，包括電動汽車、電動自行車等。它們可以在停車時通過無線充電完成電能補充，甚至可以在運行過程中利用無線充電完成電能收割。相比與傳統(tǒng)使用電纜充電，無線充電在充電效率上會低一些，其中的原因是由于發(fā)送和接受無線電耦合線圈之間的磁場泄露。
在第十六屆全國大學生智能汽車競賽中，有一個競賽題目是節(jié)能信標組。它以無線充電技術為應用背景，要求設計出能夠高效收割電能電路、高效運行的智能小車在無線磁場導引下完成信標之間的遍歷。
為了提高比賽節(jié)奏，減少無線節(jié)能車模停止時間，無線信標在無線電能輸出級的電能功率可以達到100W，這樣可以在幾秒鐘內完成對車模電能的補充，使其運行到下一個信標。
本文下面給出了無線充電發(fā)送與接受相關的一些實驗內容。
發(fā)送與接收
實驗所采用的無線發(fā)送與接受電路框架如下圖所示。使用MOS半橋電路驅動將直流電能轉換成交流信號發(fā)送線圈L1，附件的接收線圈L2通過電磁耦合將磁場轉換成電能，并通過整流橋將交流電壓重新轉換成直流電源。
串聯(lián)電容C1，C2分別與L1,L2形成串聯(lián)諧振，抵消漏磁對能量傳送的影響。
無線電能發(fā)送與接受電路框架
無線電能傳輸中信號頻率是系統(tǒng)的重要參數。頻率越高對于傳送線圈的體積要求越小，但同時也會提高電能轉換電路的損耗。由于在智能車競賽中的無線電能傳送還肩負著電磁導航的功能，因此適當提高震蕩頻率可以減少接受線圈尺寸以及導航線圈的體積。在下面實驗中，設計震蕩頻率大約在100kHz左右。
為了減少導線在高頻信號下集膚效應，采用200股紗包線制作耦合線圈。下面是制作的兩個相同的線圈，匝數為9匝，線圈直徑大約17厘米。一個用于電能發(fā)送，有個用于電能接收。
線圈的參數：
● 電感：L0=29μH， 電阻：R0=0.086Ω
● 兩個線圈L1，L2之間存在電磁互感M，它與兩個線圈的形狀以及相互之間的距離有關系。
滑軌帶動線圈逐步遠離
通過在其中一個線圈中施加交流信號，測量另外一個線圈內感應電動勢可以獲得兩個線圈之間的電磁互感M，從而可以計算出線圈之間的互感系數：
其中，L1,L2是兩個線圈各自的電感量。如下顯示了線圈之間的互感系數隨著距離的增加而降低的情況。
不同距離下的互感系數
使用兩個47nF的電容并聯(lián)，作為C1,C2，根據線圈的電感量，可以計算出諧振頻率大約為：
通過快速制板方法，可以搭建起實驗系統(tǒng)，測試無線電能傳輸效果。在實驗中，掛接在接收線圈整流橋上的負載電阻為一個100W的，0~20Ω的可調電阻。
測試電路
功率與效率
首先測試了在不同負載電阻下，系統(tǒng)傳送功率與效率。
測試條件為：
● 工作電壓：U1=24V
● 兩個線圈之間間距：3.5厘米
下表顯示了在不同的負載電阻下，無線傳輸功率與效率：
從上圖可以看出，負載電阻越大，輸出的功率和效率就越大。這一點與普通的直流電源提供的電能特性不太一樣。為了能夠將接收到的電能有效充入智能車儲能電容，其中需要進行有效的電能轉換才行。
在前面分析中，需要發(fā)送和接受線圈都工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)下。如果電路中的電感、電容沒有在工作頻率發(fā)生諧振，則傳輸的功率就會下降。
下圖顯示了電路在不同工作頻率，實際測量所得到的發(fā)送功率、接收輸出功率以及傳輸效率曲線。
不同頻率與功率和效率
可以看到系統(tǒng)只有在諧振頻率附近，在相同的負載上傳送的功率才會很大。
在輸入和輸出都是串聯(lián)諧振的情況下，系統(tǒng)的傳送效率公式為：
在原邊和負邊的電路電阻R1,R2都比較小的情況下，系統(tǒng)傳送效率基本是一個常數。
實驗部分電路
結束語
前面驗證了一種設計制作的無線電能傳送系統(tǒng)在100W范圍內的傳送功能與效率，在接收線圈調諧在100kHz左右時實現(xiàn)的80%左右的傳送效率。這種接收線圈采用了200股紗包線繞制而成，對于節(jié)能信標組車模來將稍微顯得尺寸大了些。為此，需要對接受線圈在接受功率、重量、尺寸等方面進行綜合優(yōu)化。
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