现如今面对能源应用的创新在学界和电能产业界中持续增加,目标是当电能出现的时候能够被充分的应用,可再生能源在这方面表现最为抢眼,例如太阳能电池板、风力发电以及其他自然资源,它们被转换成电能之后用于不同的目标,比如支持现代化建筑运行、驱动可移动设备。有时将这种能源转换成为“能源收割”。

 

电能应用技术中有一个共同目标,那就是能源应用的便捷性,即在所需时能够立即有充足能量提供。特别是对移动设备,减少对电网的依赖就十分重要,消除设备上供电电缆可以提高设备应用的便利性。因此,使用无线充电(也称为无接触电能转换:Contactless  Power Transfer)技术可以解决设备供电问题,提高了设备应用的舒适和方便特性,特别是不再有被电击的可能性。

 

无线充电在电动车应用中非常方便,包括电动汽车、电动自行车等。它们可以在停车时通过无线充电完成电能补充,甚至可以在运行过程中利用无线充电完成电能收割。相比与传统使用电缆充电,无线充电在充电效率上会低一些,其中的原因是由于发送和接受无线电耦合线圈之间的磁场泄露。

 

在第十六届全国大学生智能汽车竞赛中,有一个竞赛题目是节能信标组。它以无线充电技术为应用背景,要求设计出能够高效收割电能电路、高效运行的智能小车在无线磁场导引下完成信标之间的遍历。

 

为了提高比赛节奏,减少无线节能车模停止时间,无线信标在无线电能输出级的电能功率可以达到100W,这样可以在几秒钟内完成对车模电能的补充,使其运行到下一个信标。

 

本文下面给出了无线充电发送与接受相关的一些实验内容。

 

 

实验所采用的无线发送与接受电路框架如下图所示。使用MOS半桥电路驱动将直流电能转换成交流信号发送线圈L1,附件的接收线圈L2通过电磁耦合将磁场转换成电能,并通过整流桥将交流电压重新转换成直流电源

 

串联电容C1,C2分别与L1,L2形成串联谐振,抵消漏磁对能量传送的影响。

 

▲ 无线电能发送与接受电路框架

 

无线电能传输中信号频率是系统的重要参数。频率越高对于传送线圈的体积要求越小,但同时也会提高电能转换电路的损耗。由于在智能车竞赛中的无线电能传送还肩负着电磁导航的功能,因此适当提高震荡频率可以减少接受线圈尺寸以及导航线圈的体积。在下面实验中,设计震荡频率大约在100kHz左右。

 

为了减少导线在高频信号下集肤效应,采用200股纱包线制作耦合线圈。下面是制作的两个相同的线圈,匝数为9匝,线圈直径大约17厘米。一个用于电能发送,有个用于电能接收。

 

线圈的参数:

电感:L0=29μH, 电阻:R0=0.086Ω

 

两个线圈L1,L2之间存在电磁互感M,它与两个线圈的形状以及相互之间的距离有关系。

 

▲ 滑轨带动线圈逐步远离

 

通过在其中一个线圈中施加交流信号,测量另外一个线圈内感应电动势可以获得两个线圈之间的电磁互感M,从而可以计算出线圈之间的互感系数:

 

其中,L1,L2是两个线圈各自的电感量。如下显示了线圈之间的互感系数随着距离的增加而降低的情况。

 

▲ 不同距离下的互感系数

 

使用两个47nF的电容并联,作为C1,C2,根据线圈的电感量,可以计算出谐振频率大约为:

 

通过快速制板方法,可以搭建起实验系统,测试无线电能传输效果。在实验中,挂接在接收线圈整流桥上的负载电阻为一个100W的,0~20Ω的可调电阻。

 

▲ 测试电路

 

 

首先测试了在不同负载电阻下,系统传送功率与效率。

 

测试条件为:

  • 工作电压:U1=24V两个线圈之间间距:3.5厘米

 

下表显示了在不同的负载电阻下,无线传输功率与效率:

 

电阻 输出电压 工作电流 PIN(W) POUT(W) 效率(%)
18.7 31.44 2.877 52.86 69.05 76.55
17.0 28.27 2.633 47.01 63.192 74.394
14.9 24.87 2.369 41.511 65.865 73.01
12.9 22.002 2.1368 37.526 51.28 73.174
11.1 18.74 1.903 31.64 45.67 69.27
8.1 14.08 1.574 24.27 37.776 64.79

 

从上图可以看出,负载电阻越大,输出的功率和效率就越大。这一点与普通的直流电源提供的电能特性不太一样。为了能够将接收到的电能有效充入智能车储能电容,其中需要进行有效的电能转换才行。

 

在前面分析中,需要发送和接受线圈都工作在串联谐振状态下。如果电路中的电感、电容没有在工作频率发生谐振,则传输的功率就会下降。

 

下图显示了电路在不同工作频率,实际测量所得到的发送功率、接收输出功率以及传输效率曲线。

 

▲ 不同频率与功率和效率

 

可以看到系统只有在谐振频率附近,在相同的负载上传送的功率才会很大。

 

在输入和输出都是串联谐振的情况下,系统的传送效率公式为:

 

在原边和负边的电路电阻R1,R2都比较小的情况下,系统传送效率基本是一个常数。

 

▲ 实验部分电路

 

 

前面验证了一种设计制作的无线电能传送系统在100W范围内的传送功能与效率,在接收线圈调谐在100kHz左右时实现的80%左右的传送效率。这种接收线圈采用了200股纱包线绕制而成,对于节能信标组车模来将稍微显得尺寸大了些。为此,需要对接受线圈在接受功率、重量、尺寸等方面进行综合优化。