无线充电系统的功率与效率
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、电动自行车灯。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。
发送与接收
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,近而可以计算出线圈之间的互感系数:
k=ML1L2k = {M \over {\sqrt {L_1 L_2 } }}k=L1L2M
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:
f0=12πL0C0=12π29×47×10−15=96.4kHzf_0 = {1 \over {2\pi \sqrt {L_0 C_0 } }} = {1 \over {2\pi \sqrt {29 \times 47{\kern 1pt} \times 10^{ - 15} } }} = 96.4kHzf0=2πL0C01=2π29×47×10−151=96.4kHz
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
功率与效率
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件,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:
η=RL(RL+R2)(1+R1(R2+RL)(2πfM)2)\eta = {{R_L } \over {\left( {R_L + R_2 } \right)\left( {1 + {{R_1 \left( {R_2 + R_L } \right)} \over {\left( {2\pi fM} \right)^2 }}} \right)}}η=(RL+R2)(1+(2πfM)2R1(R2+RL))RL
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
结束语
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。
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