關于無線充電的理論分析

現如今面對能源應用的創新在學界和電能產業界中持續增加，目標是當電能出現的時候能夠被充分的應用，可再生能源在這方面表現最為搶眼，例如太陽能電池板、風力發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。

為了提高比賽節奏，減少無線節能車模停止時間，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送與接受相關的一些實驗內容。

實驗所采用的無線發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。

串聯電容C1，C2分別與L1,L2形成串聯諧振，抵消漏磁對能量傳送的影響。

無線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。

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。

使用兩個47nF的電容并聯，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，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。

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，需要發送和接受線圈都工作在串聯諧振狀態下。如果電路中的電感、電容沒有在工作頻率發生諧振，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送功率、接收輸出功率以及傳輸效率曲線。

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很大。

在輸入和輸出都是串聯諧振的情況下，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常數。

前面驗證了一種設計制作的無線電能傳送系統在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化。