基于无线电能传输的实践教学研究

邢丽坤+耿晓峰+李良光+凌六一

摘要：本文以谐振理论为基础研究了磁耦合谐振无线电能传输机理，针对具体的负载阻抗，以指定传输距离和传输功率为前提，提出了磁耦合谐振式无线能量传输系统的设计方案，建立了智能小车的无线供电教学演示系统，激发了学生创新、实践的热情和兴趣。

关键字：无线电能传输;磁耦合谐振;智能小车;教学演示

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）23-0148-02

近年来，许多便携式电器如笔记本电脑、手机等移动设备都需要电池和充电，电源电线频繁地插拔，既不安全也容易磨损;一些充电器、电线、插座标准也不完全统一，这样就造成了原材料的浪费和环境的污染。这些情况促使大家更多地去进行无线电能传输的研究。磁耦合谐振无线电能传输是通过磁场耦合谐振进行能量的一对一传递，接收部分与发射部分之间没有物理连接，与以往提出的电能无线传输技术相比，传输距离大大的提高，电能无线传输功率能达到几十瓦至几百瓦。不仅如此，它还具有低电磁辐射的特点，可满足电磁兼容的要求。它传输效率高，还不会受到空间障碍物的影响。现阶段谐振耦合无线电能传输的相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其传输效率的分析还不够全面。本文以谐振理论为基础研究了磁耦合谐振无线电能传输机理，针对具体的负载阻抗，以指定传输距离和传输功率为前提，提出了磁耦合谐振式无线能量传输系统的设计方案，并应用于智能小车的无线充电，建立了小车的无线供电教学演示模型。

一、磁耦合谐振无线电能传输原理及模型

磁耦合谐振无线电能传输与非接触感应式供电方式相比在传输距离上有很大的优势，与电磁波无线电能传输相比具有无敏感方向性、无辐射等许多的优点。本文在分析了磁耦合谐振无线电能传输的基本原理、数学模型的基础上建立了系统组成结构。系统框图如图1所示，交流电经过整流滤波后输入高频逆变桥，利用得到高频交流电源，谐振电路使得具有谐振频率的高频电压基波被充分放大为标准正弦波，供给发射线圈。发射与接收线圈构成的耦合系统。当接收线圈的固有频率与收到的电磁波频率相同时，两线圈共振，此时线圈回路阻抗达到最小值，电路中产生的电流最大，从而使大部分能量往谐振路径传递，完成磁场到电能的转换，实现电能的高效传输。谐振频率越高，向空间辐射的能量也就越大，传输效率就越高。

本文只对发生谐振耦合的两线圈L  、L  进行等效分析，等效互感耦合模型如图所示。其中U  表示线圈感应到L  的感应电压源;C  、C  是补偿电容;R  为负载。

由KVL回路方程可得回路电流为

当处于谐振状态时，由（1）（2）可得输入、输出功率，两者相比得到传输效率：

将公式（4）代入（3），可得系统传输效率与传输距离D，频率f，线圈尺寸（a，r，n）及电阻之间的关系式。根据线圈参数与效率之间的关系，从而可以有目的性地对线圈参数进行选择，以达到最优效果的传输。

二、系统参数选择

本文采用圆柱形线圈，根据设定的传输距离，选择合适大小的线圈。谐振频率与线圈电感、电容相关。谐振频率多方面的因素制约，因此确定谐振频率、电感线圈之后，最后根据二者的需要匹配谐振电容。负载消耗的功率即为传输系统的接收功率，根据接收功率与频率、负载阻抗可计算出接收线圈电压;根据接收线圈电压、负载系数、谐振频率等计算接收线圈电流。负载线圈的电压、电流是源线圈通过磁场耦合到负载线圈的能力的表现形式，耦合系数是量化耦合能力的参数。根据传输的功率来确定耦合系数和发射线圈电压（折算为直流电源电压）、电流。

应用磁耦合谐振式无线能量传输系统为用电设备供电，需要根据用电设备的具体要求设计能量传输系统的具体参数，以得到更高的传输效率。给定所需传输的功率、距离、负载阻抗，设计编写程序，通过matlab得到合适的系统参数：谐振频率、电源电压、线圈半径、线圈匝数、电容、预计的传输效率。

三、教学模型演示

经过反复测试实验模型选用参数：接收线圈与发射线圈之间的距离约为3mm，功率0.9W和负载阻值40Ω;得f=65kHz，电压6V，线圈部分采用线径0.6mm的铜线，线圈外径r=40mm，绕20匝，高频整流电路加补偿电容约为10μF，预计效率22.7%。

线圈阻值为1Ω，电感值约22.2μH。高频逆变电路部分采用XKT‐480高频发生器，产生f=65kHz，Upp=25V的正弦交流信号。芯片内部的补偿电容为10μF.U=3V。

高频整流电路加补偿电容约为10μF，与发射线圈产生较好的谐振效果。整流模块恒压3V输出，电流为100～600mA。模型原理如图3。教学演示装置显示，小车可以连续不间断地跑动，很好地演示了无线电能传输的基本原理。

由单一变量法得传输效率实际值与理论值比较如下图：

四、结语

实践教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。本文建立的教学演示模型原理明确，形象直观地演示了无线电能传输中的线圈谐振频率、补偿电容、互感系数等因素对无线电能传输、电压传输比的效率影响，激发了学生创新、实践的热情和兴趣。

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