磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计

磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计1磁耦合谐振式无线电能传输系统的总体方案设计在对磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理研究以及仿真分析的基础上，将搭建磁耦合谐振无线电能传输系统的实验平台。通过理论研究，本章将在图4.1所示无线电能传输系统装置系统框图基础上设计的磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验装置。图4.1所示的系统框图主要包括四大核心部分。第一部分是高频电路，其功能是将低压直流电逆变为高频低压交流电，然后经过高频变压器升压后，输入到发射线圈；第二部分是谐振补偿电路，其功能是把电容中的电场能与电感中的磁场能相互转换，此增彼减，完全补偿；第三部分整流滤波电路，其功能是把交流电能转换为直流电能，然后传递到整流电路；第四部分稳压电路，其功能是在整流滤波电路输入电压、负载、环境温度、电路等参数发生变化时仍能保持输出电压的恒定。图4.1无线电能传输系统装置的系统框图*1ii1af-据补由載要形成高频交变磁场，就需要对驱动信号与电源频率进行调试，这样才能使发射线圈、接收线圈产生谐振。在谐振状态下，发射线圈与接收线圈之间会出现高频磁场，使接收线圈能接收到发射线圈的能量。最终，通过不断的能量传输，接收线圈具有足够能量提供给负载。本次实验装置是通过线圈间的谐振耦合状态完成无线电能的传输，图4.2所示是线圈之间传输电能的机理的示意图。电源能量电场能茁厳场能蹟电场能帛发射拔圈接收线圈灯泡图4.2系统电能传输示意图2系统的参数设计磁耦合谐振式无线电能系统的传输性能会受到多种因素的干扰，影响磁耦合谐振式无线电能传输系统的主要因素有：高频逆变过程、谐振耦合过程、整流滤波过程和线圈的布置与参数。综上所述，磁耦合谐振式无线电能系统的实验装置的设置甚为重要。2.1高频逆变电路的选型此类电路可使直流电在导入后借助电路处理而以高频交流形式呈现。这一过程效能直观地透过系统传输效率进行展现。本章是在功率较低条件下进行磁耦合谐振式无线电能传输，因而其高频逆变电路应当满足两方面要求：系统工作期间，频率不能低于500kHz；当尽可能维持效率在较高水平。目前比较普遍的高频逆变电路有半桥、全桥、推挽式、能量注入型、E类谐振式等。(1) 反激式逆变电路。此类电路框架较简单，如图4.3所示。当开关未启动时，电感中的电流会有线性增长现象，那么能量就可进入电感中；当开关进入开启状态时，电感、电容构建谐振回路空间，能量可导入负载。它在功率较低的设备中应用比较普遍。如果它的开关管按照相反方向断开时，将带来比较高的电压，因此在实验中一般不会予以应用。(2) 全桥式逆变电路。图4.4所示为全桥类型对应的拓扑框架，其电路应配备4个N沟道增强型MOS管，借助开关管S4和S2、S3形成轮流输送、暂停效果，射频线圈L1将在这一作用下产生交替的能量信号，以此达成能量逆变效果。它和正激类型的逆变电路区别在于：全桥类型逆变电路具有较理想的效率条件，功率高而波动性较小。但全桥式逆变电路结构更为复杂，需投入资金较大，桥臂直通几率较大。KL+图4.4全桥式逆变电路(3) cx=厶图4.3反激式逆变电路半桥式逆变电路。图4.5所示为半桥类逆变电路框架，其电路不存在复杂的结构，成本较低，易于管控处理，不过其驱动条件限制为专门IC,所以本本章的实验不采用此类电路模型。(4) Royer电路。Royer电路的构造简单，波动性较小，技术条件成熟，造价成本低。它的电路涉及四部分内容：磁芯、电阻、电容、PNP三极管，这四个部分共同作用形成推挽工作效果。图4.6所示为Royer电路拓扑框架，它凭借开关晶体管、电压转换器铁芯的磁密度上限达成自激振荡，使开关管有所变化。图4.5半桥式逆变电路图4.6Royer电路2.2线圈的选型及优化设计影响磁耦合谐振式无线电能传输系统传输性能的关键因素之一是线圈的参数，线圈的参数会直接影响线圈的品质因数高，线圈的品质因数会对系统的传输距离、传输效率以及传输功率都有很大的影响。因此需要提高线圈的品质因数来提高系统的传输性能。磁耦合谐振式无线电能传输系统传磁场强度的表达式为68：H(r,d)=I2r2；r2+d2(4-1)由式(4-1)可知，磁场强度的大小与线圈半径r以及两线圈之间的传输距离d有关，当r2d/2时磁场强度H达到最大值。由于本项目的实验条件有限，无法采用太大线圈，故本次实验的实验线圈半径为100mm。本次实验中所用线圈采用在不导电的圆柱体上缠绕所得，所以所做线圈各个参数不一定完全相同，但参数的设置要保证系统能工作在谐振状态下。因此在加工实验线圈时均采用相同加工方法。选择比较粗的铜线作为线圈材料会提高整个无线电能传输系统传输性能，还可以减小系统中的内阻，但在高频工作下，考虑到集肤效应的作用，通常会产生自身电阻，效率会降低，集肤效应可用近似公式A=6.62,f计算。综上所述，本次实验选取线圈半径为100mm,线圈匝数为10匝，线径为1mm的铜线。2.3谐振电容的选择电容的功能是通过电容特性、耦合、能量置换和电路管理予以体现。电容质量可以根据电压及电容载体、电容规模及绝缘电阻,内部载体损耗等方面予以判断,极化、漏导所导致的寿限降低问题都属于内部载体损耗范畴。一般工作状态中的电容都是工作在高频环境下,因此电容的可靠性会降低,同时自身的损耗也会增大,故电解、纸质电容无法匹配无线电能传输电路特性。电容器的接头与引线部分的电阻会在工作中表现出较大的趋肤效应。因此设置容积、介质常数、绝缘电阻、温度系数值偏高而介损值偏小的CBB电容可以满足本章进行的磁耦合谐振式无线电能传输实验的要求。