智能无线电能传输与无线充电实验平台的研制

李 俊， 徐 启， 薄翠梅， 钱小明

（南京工业大学a.电气工程与控制科学学院；b.教学事务部，南京211816）

0 引 言

电能供给方式的安全性、可靠性、灵活性等方面的要求越来越高。无线电能传输系统可以提高电能供给的灵活性、安全性和可靠性，并可以广泛应用于工业、生活的各个领域，在无线传输在手机无线充电、海尔“无尾”电视、电动汽车无线充电、美国太空太阳能148 km无线输电等领域的应用［1-3］。

感应耦合电能传输（ICPT）系统以无直接电气连接的方式，利用磁场近场耦合将电能从发射端传输至接收端，实现了电能的非接触传输。由于该供电方式具有较高的灵活性及安全性，广泛应用于水下、矿井等特殊场合。近年来，国内外学者对ICPT技术做了许多积极的研究［4-7］。本文通过在ICPT系统的发射侧和接收侧分别施加补偿电路，提高ICPT系统的传输功率和效率，并建立了实验样机。

1 感应耦合电能无线传输系统

ICPT技术是基于磁场近场耦合理论利用法拉第电磁感应定律实现电能的无直接电气连接传输的供电技术。目前，ICPT技术主要应用于中、大功率场合，如电动汽车无线充电、海底网络设备供电及矿井照明等。由于该供电方式具有较高的灵活性、安全性及可靠性，近年来吸引了众多学者积极投身于感应电能传输技术的研究，主要包括ICPT系统拓扑结构的研究、系统传输性能的优化等［8-9］。

LCL谐振型感应电能传输系统主要包括整流滤波环节、高频逆变环节、发射侧补偿网络、电磁耦合环节、接收侧补偿网络、高频整流滤波环节和负载等［10-12］，其拓扑结构图如图1所示。

图1 感应耦合电能无线传输系统拓扑结构图

2 实验平台的建立

LCL谐振型感应电能传输系统实验样机主要包括系统主电路和系统控制电路，建立的LCL谐振型感应电能传输系统实验平台如图2所示。在实验平台上对LCL谐振型感应电能传输系统的发射线圈恒流特性、互感优化指标的可靠性进行实验验证，通过实验研究LCL谐振型感应电能传输系统的传输功率和传输效率与传输距离的关系。

3 实验测试曲线

3.1 发射线圈恒流测试

为验证所设计实验样机的发射线圈的恒流特性，分别在3种不同传输距离和不同负载的条件下进行了实验：① 负载4.15 Ω，传输距离5 cm；② 负载4.15 Ω，传输距离10 cm；③ 负载2.4 Ω，传输距离10 cm。上述3组实验的相关实验波形如图3所示。由图3（a）和（b）可知，实验样机的发射线圈电流对传输距离的变化不敏感，几乎保持不变；同样地，依据图3（b）和（c）可得，发射线圈电流对负载的变化也不明显，基本维持恒定［13-14］。此外，由图3可知，在传输功率降低时，系统交流输入电流会发生畸变；这是由于电流中基波分量的所占比例降低造成的［15］。

图2 LCL谐振型感应电能传输系统实验平台

3.2 距离特性测试

对建立的LCL谐振型感应电能传输系统实验样机的传输功率和传输效率与传输距离的关系进行实验。分别对传输距离为5、6、7、8、9和10 cm进行了实验，绘制了样机传输功率和传输效率与传输距离的关系图，如图4所示，可以看出，传输功率和传输效率都随传输距离的增大而减小。

图3 发射线圈恒流测试曲线

图4 传输功率（效率）与传输距离关系图

4 结 语

通过在感应电能传输系统的发射侧和接收侧分别施加补偿电路，提高ICPT系统的传输功率和效率，建立了以DSP28335为核心的LCL谐振型感应电能传输系统的实验样机。首先，对LCL谐振型感应电能传输系统的发射线圈恒流特性进行了实验研究，分别在不同负载、不同传输距离条件下进行实验。实验结果表明，系统发射线圈电流基本恒定；然后，对本文所提出的互感参数优化指标的可靠性进行了实验验证，实验结果显示了理论分析的正确性；最后，对所建立的LCL谐振型感应电能传输系统实验样机的传输功率和传输效率与传输距离的关系进行了实验研究，在实验平台上进行实验并得出以下结论：

（1）ICPT系统发射线圈电流在变负载和变传输距离的影响下几乎保持恒定，有利于系统的稳定、可靠运行。

（2）优化互感值选取适当的互感值可以达到电流增益与传输效率的优化匹配，从而使ICPT系统运行于期望状态。