基于無線電能傳輸?shù)膶嵺`教學(xué)研究

邢麗坤+耿曉峰+李良光+凌六一

摘要：本文以諧振理論為基礎(chǔ)研究了磁耦合諧振無線電能傳輸機理，針對具體的負載阻抗，以指定傳輸距離和傳輸功率為前提，提出了磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案，建立了智能小車的無線供電教學(xué)演示系統(tǒng)，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新、實踐的熱情和興趣。

關(guān)鍵字：無線電能傳輸;磁耦合諧振;智能小車;教學(xué)演示

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0148-02

近年來，許多便攜式電器如筆記本電腦、手機等移動設(shè)備都需要電池和充電，電源電線頻繁地插拔，既不安全也容易磨損;一些充電器、電線、插座標準也不完全統(tǒng)一，這樣就造成了原材料的浪費和環(huán)境的污染。這些情況促使大家更多地去進行無線電能傳輸?shù)难芯俊４篷詈现C振無線電能傳輸是通過磁場耦合諧振進行能量的一對一傳遞，接收部分與發(fā)射部分之間沒有物理連接，與以往提出的電能無線傳輸技術(shù)相比，傳輸距離大大的提高，電能無線傳輸功率能達到幾十瓦至幾百瓦。不僅如此，它還具有低電磁輻射的特點，可滿足電磁兼容的要求。它傳輸效率高，還不會受到空間障礙物的影響?，F(xiàn)階段諧振耦合無線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)理論和實驗研究還比較欠缺，尤其傳輸效率的分析還不夠全面。本文以諧振理論為基礎(chǔ)研究了磁耦合諧振無線電能傳輸機理，針對具體的負載阻抗，以指定傳輸距離和傳輸功率為前提，提出了磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案，并應(yīng)用于智能小車的無線充電，建立了小車的無線供電教學(xué)演示模型。

一、磁耦合諧振無線電能傳輸原理及模型

磁耦合諧振無線電能傳輸與非接觸感應(yīng)式供電方式相比在傳輸距離上有很大的優(yōu)勢，與電磁波無線電能傳輸相比具有無敏感方向性、無輻射等許多的優(yōu)點。本文在分析了磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)幕驹?、?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)框圖如圖1所示，交流電經(jīng)過整流濾波后輸入高頻逆變橋，利用得到高頻交流電源，諧振電路使得具有諧振頻率的高頻電壓基波被充分放大為標準正弦波，供給發(fā)射線圈。發(fā)射與接收線圈構(gòu)成的耦合系統(tǒng)。當(dāng)接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，兩線圈共振，此時線圈回路阻抗達到最小值，電路中產(chǎn)生的電流最大，從而使大部分能量往諧振路徑傳遞，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能的高效傳輸。諧振頻率越高，向空間輻射的能量也就越大，傳輸效率就越高。

本文只對發(fā)生諧振耦合的兩線圈L ?、L ?進行等效分析，等效互感耦合模型如圖所示。其中U ?表示線圈感應(yīng)到L ?的感應(yīng)電壓源;C ?、C ?是補償電容;R ?為負載。

由KVL回路方程可得回路電流為

當(dāng)處于諧振狀態(tài)時，由（1）（2）可得輸入、輸出功率，兩者相比得到傳輸效率：

將公式（4）代入（3），可得系統(tǒng)傳輸效率與傳輸距離D，頻率f，線圈尺寸（a，r，n）及電阻之間的關(guān)系式。根據(jù)線圈參數(shù)與效率之間的關(guān)系，從而可以有目的性地對線圈參數(shù)進行選擇，以達到最優(yōu)效果的傳輸。

二、系統(tǒng)參數(shù)選擇

本文采用圓柱形線圈，根據(jù)設(shè)定的傳輸距離，選擇合適大小的線圈。諧振頻率與線圈電感、電容相關(guān)。諧振頻率多方面的因素制約，因此確定諧振頻率、電感線圈之后，最后根據(jù)二者的需要匹配諧振電容。負載消耗的功率即為傳輸系統(tǒng)的接收功率，根據(jù)接收功率與頻率、負載阻抗可計算出接收線圈電壓;根據(jù)接收線圈電壓、負載系數(shù)、諧振頻率等計算接收線圈電流。負載線圈的電壓、電流是源線圈通過磁場耦合到負載線圈的能力的表現(xiàn)形式，耦合系數(shù)是量化耦合能力的參數(shù)。根據(jù)傳輸?shù)墓β蕘泶_定耦合系數(shù)和發(fā)射線圈電壓（折算為直流電源電壓）、電流。

應(yīng)用磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)為用電設(shè)備供電，需要根據(jù)用電設(shè)備的具體要求設(shè)計能量傳輸系統(tǒng)的具體參數(shù)，以得到更高的傳輸效率。給定所需傳輸?shù)墓β?、距離、負載阻抗，設(shè)計編寫程序，通過matlab得到合適的系統(tǒng)參數(shù)：諧振頻率、電源電壓、線圈半徑、線圈匝數(shù)、電容、預(yù)計的傳輸效率。

三、教學(xué)模型演示

經(jīng)過反復(fù)測試實驗?zāi)Ｐ瓦x用參數(shù)：接收線圈與發(fā)射線圈之間的距離約為3mm，功率0.9W和負載阻值40Ω;得f=65kHz，電壓6V，線圈部分采用線徑0.6mm的銅線，線圈外徑r=40mm，繞20匝，高頻整流電路加補償電容約為10μF，預(yù)計效率22.7%。

線圈阻值為1Ω，電感值約22.2μH。高頻逆變電路部分采用XKT‐480高頻發(fā)生器，產(chǎn)生f=65kHz，Upp=25V的正弦交流信號。芯片內(nèi)部的補償電容為10μF.U=3V。

高頻整流電路加補償電容約為10μF，與發(fā)射線圈產(chǎn)生較好的諧振效果。整流模塊恒壓3V輸出，電流為100～600mA。模型原理如圖3。教學(xué)演示裝置顯示，小車可以連續(xù)不間斷地跑動，很好地演示了無線電能傳輸?shù)幕驹怼?/p>

由單一變量法得傳輸效率實際值與理論值比較如下圖：

四、結(jié)語

實踐教學(xué)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)，是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺。本文建立的教學(xué)演示模型原理明確，形象直觀地演示了無線電能傳輸中的線圈諧振頻率、補償電容、互感系數(shù)等因素對無線電能傳輸、電壓傳輸比的效率影響，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新、實踐的熱情和興趣。

參考文獻：

[1]鄧亞峰，薛建國，張緒鵬，喬向杰.電磁諧振式無線供電系統(tǒng)的增強線圈研究[J].機械設(shè)計與制造，2012，34（9）：1-4.

[2]何婷，許明明，等.無線供電演示裝置[J].物理實驗，2013，（9）：41-43.

[3]魏紅兵，王進華，劉銳，等.電力系統(tǒng)中無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)分析[J].西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（9）：163-167.

[4]趙彪，冷志偉，呂良，陳希有.小型非接觸式電能傳輸?shù)募夹g(shù)分析[J].電力電子技術(shù)，2009，（1）：49-51.

[5]孫述.非接觸電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京科技大學(xué)，2009.

[6]鄧亞峰.無線供電技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2013：93-128.

[7]Kurs A，Karallas A，Moffatt R，et al.Wirelesspower transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317（3）：83-88.endprint