无接触电能传输实验系统的开发与实践

白亚男，李兴根，卢慧芬，杨西同

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

0 引言

早在1899年，美国发明家尼古拉·特斯拉就已初步进行了无接触电能传输的实验研究[1]。与传统的电能传输技术比较，无接触电能传输技术克服了传统导线传输技术的弊端，提高了电能传输的安全性和便利性，尤其适合一些极端特殊的用电环境，因而具有广阔的工程应用前景。因此，开发无接触电能传输技术一直是人类孜孜以求的奋斗目标。

无接触电能传输技术大致可分为三类:①基于变压器原理的感应耦合技术，它具有传输效率高、传输功率大等优点，但存在传输距离短的不足。②基于电磁波原理的远场辐射技术，这种技术它具有传输距离远但效率低、辐射污染严重。③美国麻省理工学院Kurs教授课题组于2006年提出的谐振式共振耦合技术，又称为Witricity技术[2]。它具有无电磁污染、传输效率高和距离远等优点，可实现电能的无接触传输。继其之后，国内外学术界对非辐射共振耦合无接触电能传输技术的研究也呈现出空前繁荣的景象[3-6]。

为将此新研究成果融入本科生的课程教学，激发学生对新理论和新技术的渴望，培养学生的创新能力，同步于无接触电能传输理论和技术的发展进程，我们在传统的“自动控制元件”课程的实验教学中进行了基于非辐射共振耦合的无接触电能传输实验系统的开发。由于实验内容不仅涵盖了最新的磁耦合谐振式无线电能传输理论和技术的基本内涵，更可以综合利用了电力电子、单片机和步进电机等知识，因此它对培养学生综合创新能力具有一定的促进作用。

1 无接触电能传输实验系统的开发

1.1 实验原理

磁耦合谐振式无线电能传输技术的基本原理是“两个具有相同谐振频率的系统耦合度最强”。为此，我们利用两个谐振频率完全相同的平面螺旋线圈(分别称为发射、接收线圈)实现电能的无接触传输，实验的原理电路图如图1所示。整个实验系统主要包括高频信号发生器、高频功率放大器、谐振线圈(发射、接收)、馈电线圈和负载等。

图1 无接触电能传输实验系统原理图

1.2 谐振线圈

谐振线圈包括发射线圈和接收线圈。本实验系统选定平面螺旋线圈作为无接触电能传输系统的传输线圈，这主要是因为这类线圈扩展性比较好，且制作也相对简单。其基本构造如图2所示。

图2 平面螺旋线圈示意图

图中，以FR4绝缘板作为线圈支架，在该绝缘板的两面分别粘附由铜片构成的电感线圈或电容贴片;并在其中一面粘附一单匝线圈作为馈电线圈。该线圈起主要作用的参数为分布参数:包括分布电感、分布电容和分布电阻。为计算该线圈的谐振频率，本文首先通过对平面螺旋线圈的抽象分析，得出相应的分布电感、分布电容以及分布电阻;然后根据相应的电路拓扑，建立线圈的等效电路模型[7]。在此基础上通过仿真计算可得到线圈的谐振频率。

1.3 高频功率放大器

基于非辐射共振耦合无接触电能传输的工作频率一般为2～30 MHz。相应的高频功率放大器提供无接触传能系统的功率输出，是系统的重要组成部分。同时，功率放大器与传输线圈的匹配也会影响传输效率。考虑到不同谐振线圈的谐振频率差别较大，在本实验系统高频功率放大器的开发过程中，我们设计了一种适合于无接触电能传输研究的宽频带(2-30 MHz)、50 W AB类射频功率放大器，其等效原理图见图3。该放大器的主要性能指标为:①频率范围(BW):2-30 MHz;②输出功率(Po):50 W(约为47 dBm);③功率附加效率(PAE):40%;④增益平坦度(G):1 dB;⑤增益(G):23 dB;⑥直流供电电压:DC 50 V。

图3 功率放大器的等效原理图

1.4 线圈自动寻向系统

在无接触电能传输系统中，传输效率是系统的一个重要性能指标。在一个无线传能系统尤其是多输入、多输出系统中，电能的传输效率除受系统自身性能的限制外，一些其它环境因素也会对传输效率产生影响，比如距离、接收和发射线圈的相对方向等。在使用时，为了达到最佳的传输效果，必须使发射和接收系统处于最佳的传能状态。为此，我们设计了接收线圈自动寻向控制系统，以实现自动搜寻、定位接收和发射线圈间的最佳传输方向，实现最大的功率传输。该系统主要由下述模块组成:

(1)整流滤波模块:将接收线圈上的高频交流电压转换为直流电压。

(2)线圈电压AD转换模块:系统以接收线圈感应的电压值大小作为线圈方向匹配度的参考量，电压值最大的方向即为线圈的最佳方向。通过AD转换，将模拟的电压值变换成数字电压值，并由微控制器进行判断与分析。

(3)微控制器模块:微控制器是系统的中枢。它可以存储、搜索和分析经过AD转换后的电压采样值。并对各种运行情况进行分析和判断。

(4)驱动模块:驱动模块是系统的执行部分，它一方面驱动线圈旋转运动，同时进行AD采样，最后再带动线圈旋转到最佳方向。本文采用步进电机作为系统的执行机构。

自动寻向系统的总体框图如图4所示。

图4 接收线圈自动寻向系统总体框图

2 无接触电能传输实验系统的实践

传统的本科生实验一般是给定实验原理，设定实验步骤，观测实验结果，验证物理或工程原理/理论。前已述及，无接触电能传输技术综合应用了电路、电磁场、电力电子、单片机和步进电机等理论和知识。为最大限度地激发学生的独立思考和创新能力，在无接触电能传输系统实验实践中，我们尝试在实验过程中引导学生观察实验现象和出现的问题;启发学生思考解决问题的方法;最后给出可供选择的解决方案。

主要实验内容包括:①原理验证和线圈谐振频率的测量;②影响系统传能效率的因素;③线圈自动跟踪系统;④单输入、多输出系统。

实验内容①和内容②的实验电路如图5所示。

图5 实验①和②的实验电路

在实验过程中，发射线圈连接高频功率放大器，接收装置分别采用两种不同尺寸和匝数的线圈:一个是与发射线圈完全一致的接收线圈(线圈1)，而另一个则是大小和匝数与发射线圈完全不同的接收线圈(线圈2)。显然，线圈1的谐振频率与发射线圈的谐振频率完全一致而线圈2则不然。在此实验过程中，这两个接收线圈分别驱动发光二极管，在完全相同的条件下，连续调节信号源的频率，通过观察不同接收线圈驱动的发光二极管的亮度，可观测对应的发射、接收线圈耦合的强弱和传输电能的能力。显然，线圈1驱动的二极管的亮度将高于线圈2驱动的二极管的亮度。由此现象不难证明“两个具有相同谐振频率的系统耦合度最强”的原理。同理，对于谐振频率的测量，我们仅需观察线圈1作为接收线圈时对应发光二极管最亮的频率即为线圈的谐振频率。此外，为避免人为因素的影响，实验过程中我们除观察发光二极管的亮度外，同时用示波器观测接收线圈的电压波形和幅值。对应电压波最大幅值的频率即为线圈的谐振频率。

在上述实验过程中，我们还有意识地引导学生注意观察同一线圈具有不同的谐振频率问题，并要求学生课后分析形成不同谐振频率的原因，进而阐明同一个电路/电子系统其高频和低频响应完全不同的原因。在影响系统传能效率有哪些因素的实验中，我们则有意引导学生注意两个线圈相对位置发生变化时发光二极管的亮度变化。由此说明这种无接触传能系统的方向性问题，进而要求学生解决这一问题。经过思考和讨论之后，他们会提出可能的解决方案，即采用线圈自动跟踪系统。

单输入、多输出系统实验示意图如图6所示。在进行此实验内容时，我们分别设计了2对大小和匝数不同，谐振频率完全一样的谐振线圈。以一个大线圈作为发射线圈，两个小线圈分别构成两个接收子系统，观测信号源发出谐振频率信号时，单输入、多输出无接触电能传输系统的传输能力。由此进一步说明:对于任意形状结构的线圈，只要接收线圈的谐振频率与发射线圈一致，即可实现磁耦合共振和无接触电能传输。

图6 实验内容④的示意图

3 结语

同步于无接触电能传输理论和技术的国内外发展进程，本文进行了磁耦合谐振式无线电能传输系统和技术的开发和实践研究。希望通过本次努力吸引我国高校教师将合适的科研成果应用于本科实验教学改革中，由此激发学生的学习兴趣和进行科研创新工作的热情。

[1]T.K.Mandal，Wireless transmission of electricity development and possibility[C].Belgrade，Serbia:6th International Symposium Nikola Tesla，October 18-20，2006.

[2]Aristeidis Karalis，J.D.Joannopoulos，and Marin Soljacic，Wireless Non-Radiative Energy Transfer[C].The AIP Industrial Physics Forum，2006.11.

[3]Imura T.，Okabe H.，Hori Y.，Basic experimental study on helical antennas of wireless power transfer for Electric Vehicles by using magnetic resonant couplings[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC'09)，pp.936-940，2009.

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[6]黄学良，谭林林，陈中，强浩等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].北京:电工技术学报，28(10):1-11，2013.

[7]Xiu Zhang，S.L.Ho，and W.N.Fu，Quantitative analysis of a wireless power transfer cell with planar spiral structures[J].New York:IEEE Transactions on Magnetics.47:3200-3203，2011.