波形对磁共振式无线充电的影响

陈棚+季涛

摘 要：为了探究提高无线充电效率的方法，我们设计出可变波、可调频的磁共振式无线充电装置，研究输电转化效率随波形和频率的变化规律。研究表明在磁共振时，三角波在触发信号下输电转化效率最高。

关键词：磁共振；无线电能传输；LC振荡电路；触发信号

一、引言

本文主要研究波形对充电效率的影响。充电模式采用磁共振式方式，发射线圈和接收线圈采用相同固有频率的LC振荡电路。旨在研究各个波形下的充电效率，为无线充电领域提供一些参考数据和借鉴。

二、实验结果与讨论

实验中采用函数发生器提供各种波形以及各种频率的触发信号，采用OCL放大电路来对输入的小信号进行放大。利用电压表、电流表变阻箱等仪表检测放大电路以及接收端的电流和电压值，以此计算功率值。在LC回路中，电容Cp为0.02μF，发射线圈和接收线圈均为自绕线圈，匝数为50圈，直径为10cm。估算出LC振荡电路的固有频率约为20KHz。

为了探究该装置的电能传输中的频率对充电效率和功率的影响，我们将测试波段设在10.5KHz～40.5KHz之间，根据实际应用，我们将负载电阻设置在273.5Ω。我们分别测试了触发信号为余弦波、方波和三角波时输出端的直流功率输出变化规律。结果表明当激发频率约为16KHz时转化效率最高，此时LC线圈发射信号和接收信号同步，如图1所示。

如图2所示，当触发信号为余弦波时，激发频率在16.5KHz、24.5 KHz附近时，电路的转化效率和输出功率都出现了极大值，分别为17%和15%；触发信号为方波时，激发频率在16.5KHz、34.5 KHz附近时，电路的转化效率出现了极大值；当触发信号为三角波时，激发频率在16.5KHz、34.6 KHz附近時，电路的转化效率出现了极大值。

经研究表明，当激发频率在16.5KHz时，在触发信号为三角波和方波下，装置的电能传输效率分别为26%和25%，明显高于余弦波触发时17%的转化效率，这有可能是在波形放大时余弦波信号失真造成的。因此相对于余弦波而言，三角波和方波对放大电路无需有过高的需求。在相同的放大电路上，三角波触发具有略高于方波的触发时的转化效率。三角波和方波在信号频率约为34.5KHz时，也出现了传输效率的峰值，但小于16.5KHz时的效率，这是由于触发信号处在LC振荡电路的倍频下形成的谐振倍频引起的。LC电路的内电阻使倍频数据相对于理论值略有差异。

三、结论

从三个不同的波形可以看出激发信号频率在16.5KHz时，即LC振荡电路频率与激发信号的频率相同发生共振，此时接收端和发射端都在固有共振频率上，在任何波形下，电能传输效率都是最高的；当触发信号处在倍频条件下时也能使接收端和发射端共振，但效率略低。在激发信号频率在16.5KHz时，三角波的转化效率能达到最高为26%。

参考文献：

[1]胡济宇，季涛，邹儒佳.双模式可调的无线电能传输[J].电子器件，2017（1）：224-227.

[2]陈炜峰，朱美杰，郭海军，等.电磁屏蔽对无线充电系统的影响分析，南京信息工程大学信学报（自然科学版），2013，5（2）：163-166.