【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今面對(duì)能源應(yīng)用的創(chuàng)新在學(xué)界和電能產(chǎn)業(yè)界中持續(xù)增加，目標(biāo)是當(dāng)電能出現(xiàn)的時(shí)候能夠被充分的應(yīng)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(fēng)力發(fā)電以及其他自然資源，它們被轉(zhuǎn)換成電能之后用于不同的目標(biāo)，比如支持現(xiàn)代化建筑運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)設(shè)備。有時(shí)將這種能源轉(zhuǎn)換成為“能源收割”。
電能應(yīng)用技術(shù)中有一個(gè)共同目標(biāo)，那就是能源應(yīng)用的便捷性，即在所需時(shí)能夠立即有充足能量提供。特別是對(duì)移動(dòng)設(shè)備，減少對(duì)電網(wǎng)的依賴就十分重要，消除設(shè)備上供電電纜可以提高設(shè)備應(yīng)用的便利性。因此，使用無線充電（也稱為無接觸電能轉(zhuǎn)換：Contactless Power Transfer）技術(shù)可以解決設(shè)備供電問題，提高了設(shè)備應(yīng)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(dòng)車應(yīng)用中非常方便，包括電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等。它們可以在停車時(shí)通過無線充電完成電能補(bǔ)充，甚至可以在運(yùn)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(huì)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(chǎng)泄露。
在第十六屆全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽中，有一個(gè)競(jìng)賽題目是節(jié)能信標(biāo)組。它以無線充電技術(shù)為應(yīng)用背景，要求設(shè)計(jì)出能夠高效收割電能電路、高效運(yùn)行的智能小車在無線磁場(chǎng)導(dǎo)引下完成信標(biāo)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(shí)間，無線信標(biāo)在無線電能輸出級(jí)的電能功率可以達(dá)到100W，這樣可以在幾秒鐘內(nèi)完成對(duì)車模電能的補(bǔ)充，使其運(yùn)行到下一個(gè)信標(biāo)。
本文下面給出了無線充電發(fā)送與接受相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
發(fā)送與接收
實(shí)驗(yàn)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(qū)動(dòng)將直流電能轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)發(fā)送線圈L1，附件的接收線圈L2通過電磁耦合將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電能，并通過整流橋?qū)⒔涣麟妷褐匦罗D(zhuǎn)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(duì)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(hào)頻率是系統(tǒng)的重要參數(shù)。頻率越高對(duì)于傳送線圈的體積要求越小，但同時(shí)也會(huì)提高電能轉(zhuǎn)換電路的損耗。由于在智能車競(jìng)賽中的無線電能傳送還肩負(fù)著電磁導(dǎo)航的功能，因此適當(dāng)提高震蕩頻率可以減少接受線圈尺寸以及導(dǎo)航線圈的體積。在下面實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)震蕩頻率大約在100kHz左右。
為了減少導(dǎo)線在高頻信號(hào)下集膚效應(yīng)，采用200股紗包線制作耦合線圈。下面是制作的兩個(gè)相同的線圈，匝數(shù)為9匝，線圈直徑大約17厘米。一個(gè)用于電能發(fā)送，有個(gè)用于電能接收。
線圈的參數(shù)：
● 電感：L0=29μH， 電阻：R0=0.086Ω
● 兩個(gè)線圈L1，L2之間存在電磁互感M，它與兩個(gè)線圈的形狀以及相互之間的距離有關(guān)系。
滑軌帶動(dòng)線圈逐步遠(yuǎn)離
通過在其中一個(gè)線圈中施加交流信號(hào)，測(cè)量另外一個(gè)線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以獲得兩個(gè)線圈之間的電磁互感M，從而可以計(jì)算出線圈之間的互感系數(shù)：
其中，L1,L2是兩個(gè)線圈各自的電感量。如下顯示了線圈之間的互感系數(shù)隨著距離的增加而降低的情況。
不同距離下的互感系數(shù)
使用兩個(gè)47nF的電容并聯(lián)，作為C1,C2，根據(jù)線圈的電感量，可以計(jì)算出諧振頻率大約為：
通過快速制板方法，可以搭建起實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試無線電能傳輸效果。在實(shí)驗(yàn)中，掛接在接收線圈整流橋上的負(fù)載電阻為一個(gè)100W的，0~20Ω的可調(diào)電阻。
測(cè)試電路
功率與效率
首先測(cè)試了在不同負(fù)載電阻下，系統(tǒng)傳送功率與效率。
測(cè)試條件為：
● 工作電壓：U1=24V
● 兩個(gè)線圈之間間距：3.5厘米
下表顯示了在不同的負(fù)載電阻下，無線傳輸功率與效率：
從上圖可以看出，負(fù)載電阻越大，輸出的功率和效率就越大。這一點(diǎn)與普通的直流電源提供的電能特性不太一樣。為了能夠?qū)⒔邮盏降碾娔苡行С淙胫悄苘噧?chǔ)能電容，其中需要進(jìn)行有效的電能轉(zhuǎn)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?shù)墓β示蜁?huì)下降。
下圖顯示了電路在不同工作頻率，實(shí)際測(cè)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(fù)載上傳送的功率才會(huì)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(fù)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(gè)常數(shù)。
實(shí)驗(yàn)部分電路
結(jié)束語
前面驗(yàn)證了一種設(shè)計(jì)制作的無線電能傳送系統(tǒng)在100W范圍內(nèi)的傳送功能與效率，在接收線圈調(diào)諧在100kHz左右時(shí)實(shí)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(duì)于節(jié)能信標(biāo)組車模來將稍微顯得尺寸大了些。為此，需要對(duì)接受線圈在接受功率、重量、尺寸等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化。
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