【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今面對能源應(yīng)用的創(chuàng)新在學(xué)界和電能產(chǎn)業(yè)界中持續(xù)增加,目標是當電能出現(xiàn)的時候能夠被充分的應(yīng)用,可再生能源在這方面表現(xiàn)最為搶眼,例如太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電以及其他自然資源,它們被轉(zhuǎn)換成電能之后用于不同的目標,比如支持現(xiàn)代化建筑運行、驅(qū)動可移動設(shè)備。有時將這種能源轉(zhuǎn)換成為“能源收割”。
電能應(yīng)用技術(shù)中有一個共同目標,那就是能源應(yīng)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(shè)備,減少對電網(wǎng)的依賴就十分重要,消除設(shè)備上供電電纜可以提高設(shè)備應(yīng)用的便利性。因此,使用無線充電(也稱為無接觸電能轉(zhuǎn)換:Contactless Power Transfer)技術(shù)可以解決設(shè)備供電問題,提高了設(shè)備應(yīng)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(yīng)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(tǒng)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(fā)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(xué)生智能汽車競賽中,有一個競賽題目是節(jié)能信標組。它以無線充電技術(shù)為應(yīng)用背景,要求設(shè)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(dǎo)引下完成信標之間的遍歷。
為了提高比賽節(jié)奏,減少無線節(jié)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(nèi)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(fā)送與接受相關(guān)的一些實驗內(nèi)容。
發(fā)送與接收
實驗所采用的無線發(fā)送與接受電路框架如下圖所示。使用MOS半橋電路驅(qū)動將直流電能轉(zhuǎn)換成交流信號發(fā)送線圈L1,附件的接收線圈L2通過電磁耦合將磁場轉(zhuǎn)換成電能,并通過整流橋?qū)⒔涣麟妷褐匦罗D(zhuǎn)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。
無線電能發(fā)送與接受電路框架
無線電能傳輸中信號頻率是系統(tǒng)的重要參數(shù)。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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)航線圈的體積。在下面實驗中,設(shè)計震蕩頻率大約在100kHz左右。
為了減少導(dǎo)線在高頻信號下集膚效應(yīng),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(shù)為9匝,線圈直徑大約17厘米。一個用于電能發(fā)送,有個用于電能接收。
線圈的參數(shù):
● 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(guān)系。
滑軌帶動線圈逐步遠離
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(nèi)感應(yīng)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(shù):
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(shù)隨著距離的增加而降低的情況。
不同距離下的互感系數(shù)
使用兩個47nF的電容并聯(lián),作為C1,C2,根據(jù)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(tǒng),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(diào)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(tǒng)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?qū)⒔邮盏降碾娔苡行С淙胫悄苘噧δ茈娙?,其中需要進行有效的電能轉(zhuǎn)換才行。
在前面分析中,需要發(fā)送和接受線圈都工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)下。如果電路中的電感、電容沒有在工作頻率發(fā)生諧振,則傳輸?shù)墓β示蜁陆怠?/div>
下圖顯示了電路在不同工作頻率,實際測量所得到的發(fā)送功率、接收輸出功率以及傳輸效率曲線。
不同頻率與功率和效率
可以看到系統(tǒng)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(lián)諧振的情況下,系統(tǒng)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(tǒng)傳送效率基本是一個常數(shù)。
實驗部分電路
結(jié)束語
前面驗證了一種設(shè)計制作的無線電能傳送系統(tǒng)在100W范圍內(nèi)的傳送功能與效率,在接收線圈調(diào)諧在100kHz左右時實現(xiàn)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(jié)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(yōu)化。
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