電能應用技術(shù)中有一個(gè)共同目標，那就是能源應用的便捷性，即在所需時(shí)能夠立即有充足能量提供。特別是對移動(dòng)設備，減少對電網(wǎng)的依賴(lài)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(wú)線(xiàn)充電（也稱(chēng)為無(wú)接觸電能轉換：Contactless  Power Transfer）技術(shù)可以解決設備供電問(wèn)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(wú)線(xiàn)充電在電動(dòng)車(chē)應用中非常方便，包括電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等。它們可以在停車(chē)時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電完成電能補充，甚至可以在運行過(guò)程中利用無(wú)線(xiàn)充電完成電能收割。相比與傳統使用電纜充電，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電耦合線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)泄露。

 

在第十六屆全國大學(xué)生智能汽車(chē)競賽中，有一個(gè)競賽題目是節能信標組。它以無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)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(chē)在無(wú)線(xiàn)磁場(chǎng)導引下完成信標之間的遍歷。

 

為了提高比賽節奏，減少無(wú)線(xiàn)節能車(chē)模停止時(shí)間，無(wú)線(xiàn)信標在無(wú)線(xiàn)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(chē)模電能的補充，使其運行到下一個(gè)信標。

 

本文下面給出了無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送與接受相關(guān)的一些實(shí)驗內容。

 

發(fā)送與接收

 

實(shí)驗所采用的無(wú)線(xiàn)發(fā)送與接受電路框架如下圖所示。使用MOS半橋電路驅動(dòng)將直流電能轉換成交流信號發(fā)送線(xiàn)圈L1，附件的接收線(xiàn)圈L2通過(guò)電磁耦合將磁場(chǎng)轉換成電能，并通過(guò)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(wú)線(xiàn)電能發(fā)送與接受電路框架

 

無(wú)線(xiàn)電能傳輸中信號頻率是系統的重要參數。頻率越高對于傳送線(xiàn)圈的體積要求越小，但同時(shí)也會(huì )提高電能轉換電路的損耗。由于在智能車(chē)競賽中的無(wú)線(xiàn)電能傳送還肩負著(zhù)電磁導航的功能，因此適當提高震蕩頻率可以減少接受線(xiàn)圈尺寸以及導航線(xiàn)圈的體積。在下面實(shí)驗中，設計震蕩頻率大約在100kHz左右。

 

為了減少導線(xiàn)在高頻信號下集膚效應，采用200股紗包線(xiàn)制作耦合線(xiàn)圈。下面是制作的兩個(gè)相同的線(xiàn)圈，匝數為9匝，線(xiàn)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(xiàn)圈的參數：

 

●     電感：L0=29μH， 電阻：R0=0.086Ω

●     兩個(gè)線(xiàn)圈L1，L2之間存在電磁互感M，它與兩個(gè)線(xiàn)圈的形狀以及相互之間的距離有關(guān)系。

 

滑軌帶動(dòng)線(xiàn)圈逐步遠離

 

通過(guò)在其中一個(gè)線(xiàn)圈中施加交流信號，測量另外一個(gè)線(xiàn)圈內感應電動(dòng)勢可以獲得兩個(gè)線(xiàn)圈之間的電磁互感M，從而可以計算出線(xiàn)圈之間的互感系數：

 

 

其中，L1,L2是兩個(gè)線(xiàn)圈各自的電感量。如下顯示了線(xiàn)圈之間的互感系數隨著(zhù)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(gè)47nF的電容并聯(lián)，作為C1,C2，根據線(xiàn)圈的電感量，可以計算出諧振頻率大約為：

 

 

通過(guò)快速制板方法，可以搭建起實(shí)驗系統，測試無(wú)線(xiàn)電能傳輸效果。在實(shí)驗中，掛接在接收線(xiàn)圈整流橋上的負載電阻為一個(gè)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，系統傳送功率與效率。

 

測試條件為：

 

●     工作電壓：U1=24V

●     兩個(gè)線(xiàn)圈之間間距：3.5厘米

 

下表顯示了在不同的負載電阻下，無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(chē)儲能電容，其中需要進(jìn)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(xiàn)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(méi)有在工作頻率發(fā)生諧振，則傳輸的功率就會(huì )下降。

 

下圖顯示了電路在不同工作頻率，實(shí)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(xiàn)。

 

不同頻率與功率和效率

 

可以看到系統只有在諧振頻率附近，在相同的負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，系統傳送效率基本是一個(gè)常數。

 

實(shí)驗部分電路

 

結束語(yǔ)

 

前面驗證了一種設計制作的無(wú)線(xiàn)電能傳送系統在100W范圍內的傳送功能與效率，在接收線(xiàn)圈調諧在100kHz左右時(shí)實(shí)現的80%左右的傳送效率。這種接收線(xiàn)圈采用了200股紗包線(xiàn)繞制而成，對于節能信標組車(chē)模來(lái)將稍微顯得尺寸大了些。為此，需要對接受線(xiàn)圈在接受功率、重量、尺寸等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化。

 

 

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。

 

推薦閱讀：