项目驱动教学法在“电力电子技术”教学中的应用——以“电场式无线输电”为例

李 平，宫世杰，周思康，顾 军，来文豪，朱洪波

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

随着产业变革和技术革新，传统工科育人模式已经很难满足社会对人才的需求。为了适应社会的发展和科技的变革，教育部于2017年2月分别在复旦大学和天津大学召开新工科研讨会，标志着对“新工科”探索的开始。[1]《电力电子技术》作为电力学、电子学和控制理论的交叉学科，综合性强且与工程实际联系紧密。[2]《电力电子技术》内容涉及电气工程及其自动化专业的各个领域。

相比于传统有线输电方式，无线电能传输技术(Wirless Power Transfer，WPT)不仅能避免因输电线路老化破损带来的漏电风险，而且输电方式更加灵活，同时降低了输电成本，且无线电能传输技术打破了传统电能传输过程中线缆的束缚，所以被大量用于环境恶劣场所或不适合安装线缆的区域，如水下设备[3]、医用器材[4]、电动汽车[5]、智能手机[6]等。将无线电能传输项目引入电力电子技术教学不仅提高了学生的动手能力，也拓宽了学生的科学眼界。项目驱动教学法即以学生为主体，教师为引导，项目为载体，让学生主动加入课堂教学，提高学生学习兴趣，增强动手能力，培养发散思维。[7]论文介绍了在《电力电子技术》课程教学中引入项目驱动教学法的实践，以无线电能传输技术作为课程案例，旨在探讨“新工科”教育背景下如何培养学生的创新思维和动手能力。

1 项目描述

整流电路和逆变电路作为《电力电子技术》课程中的基础电路，对深入学习《电力电子技术》有重要意义。但传统《电力电子技术》教学方式过于枯燥，很难引起学生的学习兴趣。引入项目驱动教学法以电场式无线输电为案例对整流电路和逆变电路进行讲解，不但可以提高了学生的学习兴趣，而且拓展了学生的知识面。

现阶段主流无线输电方式分为电场式(Electric-field Wireless Power Transfer，EC-WPT)[8]、磁场式(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，MC-WPT)[9]以及微波辐射式(Microwave Power Transfer，MPT)[10]。电场式无线输电系统与磁场式无线输电系统的前级电路和后级电路基本一致，不同点在于传输的耦合设备不同，电场式无线输电通过电容板进行耦合传输，磁场式无线输电通过线圈进行耦合传输。

图1所示的传输系统中，前级电路由逆变电路和补偿电路组成，耦合机构一般为电容板或线圈，后级电路由补偿电路和整流电路组成。前级逆变电路的作用是将电源所提供的直流电变换成耦合机构所需要的高频交流电，再通过耦合机构产生高频电场或者高频磁场以实现电能的无线传输，后级整流电路的作用是将耦合机构传输的高频交流电转换成可以供用电器使用的直流电。

图1 无线输电传输系

电场式无线电能传输系统相较于磁场式无线电能传输技术具有成本低、易安装和传输损耗小等优点。[11]所以本次项目选取电场式无线电能传输系统作为研究对象，并从课程目标及课程思政两个方面进行教学。

核心目标分解：(1)分别搭建逆变电路和整流电路；(2)通过项目结合逆变电路和整流电路实现电场式无线输电系统的搭建。

课程思政：在对项目进行描述时，加入无线输电技术的发展历史和意义，以及重庆大学苏玉刚教授团队[12](我国最早一批从事无线电能传输研究的团队)如何在没有设备、没有经验的情况下在无线输电领域取得重大成果的事迹，树立起学生科学报国的科研价值观。

2 项目分析

鉴于大部分学生在大学之前缺乏实验经验，且本次项目设计的高频电路存在一定的危险性，因此本文决定采用仿真实验的方式进行。首先使用多物理场有限元仿真软件对耦合电容板进行仿真，得到耦合机构的电容值；接着将获得的电容值带入MATLAB进行电路仿真。在项目实施前，教师应提前要求学生学习多物理场有限元仿真软件和MATLAB的基本使用方法。在教学中，教师需要逐步分解电场式无线电能传输系统的结构，使学生了解每个结构的具体作用。

在介绍完实验内容后将全班学生按照4～5人一组进行分组，每个小组选取一位组长负责对整个项目进行总结，并安排组内分工，将项目细化，分工到每位组员，做出结果后由组长汇总，将所得的逆变电路，整流电路以及电场式无线输电系统的结果统一打包发送至班长邮箱，再由班长汇总后发送给任课教师。教师在收到结果后，组织学生对项目进行答辩，每组由组长进行答辩，教师对学生答辩表现进行打分，最后小组总分为各个环节分数加权后累加。教师不仅需要在前期对实验内容进行讲解，还要在整个过程中指导学生解决仿真实验中出现的问题，帮助学生自主发现和解决问题。同时教师应引导学生思考课程项目可以应用的领域，以激发学生的科研兴趣提高创新能力。

为了使学生更好地学习和理解电场式无线输电系统，现在将项目中的电路进行拆分，化简为两个简易电路，学生可以在搭建完简易电路后，自主考虑如何将两部分电路组合，这样既降低了项目的起步门槛，又强化了学生的思维与动手能力。

(1)逆变电路

本次项目旨在加强学生对逆变电路的理解和使用能力，学生需自主搭建如图2所示的逆变电路，该逆变电路由四个MOS管(S1、S2、S3、S4)以及直流电压源U、滤波电感L1和负载R1组成。该部分电路的作用是为耦合机构提供高频电源。教师在介绍完电路后，给学生20～30分钟时间要求学生自主完成电路图的绘制。

图2 逆变电路结构图

(2)整流电路

图3所示的整流电路，是在无线输电结构的基础上简化得来。耦合机构所产生的高频交流电，在这里被等效为一个交流电压源。整流电路由四个二极管(D1、D2、D3、D4)交流电压源VAC电容C3以及负载R2组成。该电路的作用是将耦合机构所传输的高频交流电转换成可以供用负载使用的直流电。

图3 整流电路结构图

图2、图3为本次项目的两个基础电路结构图。学生需在完成这两个电路搭建的基础上将它们组合，以构建电场式无线输电系统。下面是笔者在整理完学生作业后选取的一个小组的作业情况，图4为该小组通过MATLAB搭建的逆变电路图以及仿真结果，如图4所示，学生已经具备搭建逆变电路的能力；图5为该组逆变电路的电压输出波形，从结果看该组所搭建的逆变电路有较好的效果。

图4 逆变电路图

图5 逆变结果

图6为该组学生搭建的整流电路，从电路搭建结果看，学生已经具有独立搭建与使用整流电路的能力；图7为整流电路输出的电压波形；从图5和图7可见，学生对逆变电路和整流电路有了较为深刻的理解，且仿真结果符合实验预期。

图6 整流电路图

图7 整流结果

在做完逆变电路和整流电路实验后，学生需在多物理场有限元仿真软件上对电场式无线输电系统的耦合结构进行搭建。图8为学生所搭建的多物理场有限元模型，该模型由四块材料大小完全相同的金属电容板组成，每块电容版的宽度、深度和厚度分别为5 cm、2.5 cm和0.1 cm，材质为铜，极板间为空气域。

图8 有限元模型

对图8中模型进行有限元计算得出该耦合结构传输电容的电容值为6.5×10-9F，图9选取了耦合模型在2.7×10-7s时耦合极板的电势分布。学生在搭建完逆变电路、整流电路和电容板耦合模型后，通过项目将上述三部分结构进行组合，使用Simlink平台搭建图10所示电路，通过耦合模型所得的电容值对其它电路参数进行计算，将所得元件参数带入电路器件并进行仿真。

图9 电容板-板间电势分布

图10 无线输电结构图

图10中左侧电路为逆变电路，右侧电路为整流电路。与学生所做的简易电路不同的是，原先接在逆变电路的负载电阻和接在整流电路的交流电压源被两个电容CE1、CE2取代。L1和L2为一次侧和二次侧的补偿电感。通过简化图10中的电路，我们得到了图11所示电路，CE1和CE2分别表示发射端和接收端的板间电容。

图11 无线输电等效电路图

(1)

(2)

图11中U1为直流电源U经逆变电路等效后的高频交流电源，通过式(1)式(2)将CE1和CE2等效为CE，整流电路和负载R等效为R1。对图11所示电路进行分析。

(3)

L=L1+L2

(4)

(5)

根据式(5)令虚部为0得到式(6)：

ω2LCE-1=0

(6)

(7)

其中Z为电路总阻抗，通过式(1)和式(7)确定电容电感值，并设置电路参数如表1所示。

表1 元件参数

对图10电路进行仿真结果如图12所示。测量该模型输出端功率为25.3 W，传输效率为48.1 %。

图12 仿真结果

尽管结果显示该模型的传输效率较低，但考虑到学生对电场式无线输电系统的相关知识缺乏学习，这个结果并不意外，学生能成功地完成预期目标，并表现出色，值得肯定。在完成项目后教师可以引导学生思考，影响传输效率的因素有那些，在重新确定参数后再次进行仿真实验，提高传输效率。

3 项目汇报与评价

项目完成后，每组组长向教师汇报所在小组的项目完成情况，主要包括以下几个方面：(1)是否完成项目搭建；(2)电路参数选取；(3)现场进行软件仿真，展示结果；(4)介绍每个电路具体作用。

项目评价：在项目的评价分数中，我们进行了7：3的加权分配方式，其中7分是指小组项目的完成情况，任课教师主要根据学生提交的仿真文件及结果进行评分；3分则是指小组汇报表现以及在课堂上的表现等综合因素进行评价。教师在对学生的汇报点评后，对优秀小组提出表扬。同时再次讲解和强调项目开展过程中出现的问题，加深学生对基础内容的记忆。

4 结语

论文介绍了项目驱动教学法在《电力电子技术》课程教学中的具体案例，通过电场式无线输电项目将《电力电子技术》中的整流电路和逆变电路内容结合起来，加强了学生对课程内容的记忆和理解，同时也激发了他们的科研热情。学生以团队的形式完成项目，不仅培养了学生的动手能力，也强化了学生的团队合作意识。

通过分析学生课后作业的完成情况，以及后期对该部分内容复习时学生的反应看，项目驱动教学法在《电力电子技术》课程中取得了很好的教学效果。学生参与校内项目的经历对于其未来融入社会有很大的帮助，同时也满足了当今社会对电气人才的需求。论文所述教学方案，不仅适合电气工程及其自动化专业，也适合其他专业，可根据专业实际情况以及具体项目进行结合，得出适合其它课程发展的教学模式。