波形對(duì)磁共振式無線充電的影響

陳棚+季濤

摘 要：為了探究提高無線充電效率的方法，我們?cè)O(shè)計(jì)出可變波、可調(diào)頻的磁共振式無線充電裝置，研究輸電轉(zhuǎn)化效率隨波形和頻率的變化規(guī)律。研究表明在磁共振時(shí)，三角波在觸發(fā)信號(hào)下輸電轉(zhuǎn)化效率最高。

關(guān)鍵詞：磁共振；無線電能傳輸；LC振蕩電路；觸發(fā)信號(hào)

一、引言

本文主要研究波形對(duì)充電效率的影響。充電模式采用磁共振式方式，發(fā)射線圈和接收線圈采用相同固有頻率的LC振蕩電路。旨在研究各個(gè)波形下的充電效率，為無線充電領(lǐng)域提供一些參考數(shù)據(jù)和借鑒。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中采用函數(shù)發(fā)生器提供各種波形以及各種頻率的觸發(fā)信號(hào)，采用OCL放大電路來對(duì)輸入的小信號(hào)進(jìn)行放大。利用電壓表、電流表變阻箱等儀表檢測(cè)放大電路以及接收端的電流和電壓值，以此計(jì)算功率值。在LC回路中，電容Cp為0.02μF，發(fā)射線圈和接收線圈均為自繞線圈，匝數(shù)為50圈，直徑為10cm。估算出LC振蕩電路的固有頻率約為20KHz。

為了探究該裝置的電能傳輸中的頻率對(duì)充電效率和功率的影響，我們將測(cè)試波段設(shè)在10.5KHz～40.5KHz之間，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，我們將負(fù)載電阻設(shè)置在273.5Ω。我們分別測(cè)試了觸發(fā)信號(hào)為余弦波、方波和三角波時(shí)輸出端的直流功率輸出變化規(guī)律。結(jié)果表明當(dāng)激發(fā)頻率約為16KHz時(shí)轉(zhuǎn)化效率最高，此時(shí)LC線圈發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)同步，如圖1所示。

如圖2所示，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為余弦波時(shí)，激發(fā)頻率在16.5KHz、24.5 KHz附近時(shí)，電路的轉(zhuǎn)化效率和輸出功率都出現(xiàn)了極大值，分別為17%和15%；觸發(fā)信號(hào)為方波時(shí)，激發(fā)頻率在16.5KHz、34.5 KHz附近時(shí)，電路的轉(zhuǎn)化效率出現(xiàn)了極大值；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為三角波時(shí)，激發(fā)頻率在16.5KHz、34.6 KHz附近時(shí)，電路的轉(zhuǎn)化效率出現(xiàn)了極大值。

經(jīng)研究表明，當(dāng)激發(fā)頻率在16.5KHz時(shí)，在觸發(fā)信號(hào)為三角波和方波下，裝置的電能傳輸效率分別為26%和25%，明顯高于余弦波觸發(fā)時(shí)17%的轉(zhuǎn)化效率，這有可能是在波形放大時(shí)余弦波信號(hào)失真造成的。因此相對(duì)于余弦波而言，三角波和方波對(duì)放大電路無需有過高的需求。在相同的放大電路上，三角波觸發(fā)具有略高于方波的觸發(fā)時(shí)的轉(zhuǎn)化效率。三角波和方波在信號(hào)頻率約為34.5KHz時(shí)，也出現(xiàn)了傳輸效率的峰值，但小于16.5KHz時(shí)的效率，這是由于觸發(fā)信號(hào)處在LC振蕩電路的倍頻下形成的諧振倍頻引起的。LC電路的內(nèi)電阻使倍頻數(shù)據(jù)相對(duì)于理論值略有差異。

三、結(jié)論

從三個(gè)不同的波形可以看出激發(fā)信號(hào)頻率在16.5KHz時(shí)，即LC振蕩電路頻率與激發(fā)信號(hào)的頻率相同發(fā)生共振，此時(shí)接收端和發(fā)射端都在固有共振頻率上，在任何波形下，電能傳輸效率都是最高的；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)處在倍頻條件下時(shí)也能使接收端和發(fā)射端共振，但效率略低。在激發(fā)信號(hào)頻率在16.5KHz時(shí)，三角波的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到最高為26%。

參考文獻(xiàn)：

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