无线充电

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：

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。