我們?cè)凇?a href="http://www.1cnz.cn/v/" target="_blank">智能永動(dòng)車”中討論了如何無(wú)線給車模提供電能的方案。通過對(duì)比，使用電磁感應(yīng)的方式可以比較便捷、高效給車模提供足夠的電能。

無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)今電動(dòng)汽車領(lǐng)域、手持電子設(shè)備、人體醫(yī)療器械、通信領(lǐng)域也都有著非常廣泛的應(yīng)用。

利用電磁互感現(xiàn)象，通過磁場(chǎng)耦合的兩個(gè)線圈可以完成電能的傳輸。下面，我們探討一下如何高效完成電能的傳輸。這其中涉及到線圈如何繞制、擺放以及如何控制充電功率等。

你瞧，這是我們做實(shí)驗(yàn)所使用的線圈。其中大的線圈是電能發(fā)射線圈，使用直徑為1.1mm的多股紗包線繞制四匝，直徑約為260mm。其中通有640kHz的交流電，通過并聯(lián)電容完成電流諧振，諧振電壓為12V。

接收線圈比較小，使用同樣的紗包線繞制10匝，直徑在80mm左右。

什么？你問為什么使用多股紗包線繞制線圈？

這主要是因?yàn)橐档桶l(fā)射接收圈的尺寸、減少繞制匝數(shù)，所以線圈的電感量都比較小，都在幾十微亨左右。為了提高傳輸電能密度，需要使用高頻交流信號(hào)進(jìn)行電能傳輸。這里使用的是640kHz。高頻電流經(jīng)過導(dǎo)線時(shí)，由于“電流趨膚效應(yīng)”，電流趨向于導(dǎo)線的表面。在20°左右，640kHz的高頻交流電流在銅線內(nèi)電流深度只有0.0825mm。因此。為了增加導(dǎo)線的表面積，降低電流損耗，需要使用多股的紗包線繞制線圈。

將感應(yīng)接收線圈放在發(fā)射線圈中間，它們之間存在電磁耦合。在發(fā)射線圈通電以后，就會(huì)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。

如果負(fù)載本身是發(fā)光二極管，它自己就可以完成整流，因此LED可以在高頻電壓驅(qū)動(dòng)下完成整流發(fā)光。

下圖是實(shí)驗(yàn)所用的接受電路，利用C1與接收線圈匹配成諧振回路。使用兩個(gè)肖特基二極管完成倍壓整流，輸出電壓的最高可以在40V左右。如果使用全波整流，在獲得同樣的輸出電壓的情況下，需要將線圈的匝數(shù)增加一倍。

根據(jù)往屆節(jié)能比賽數(shù)據(jù)來看，制作精良的車模可以只消耗200焦耳完成比賽。如果充電功率為20W，那么需要花費(fèi)10秒鐘的時(shí)間便可以在儲(chǔ)能法拉電容上充入200焦耳的電能。由于今年比賽中將充電時(shí)間記入比賽成績(jī)，因此，提高充電功率是減少比賽時(shí)間的第一個(gè)環(huán)節(jié)。

你問，電源輸出功率受什么限制？

這個(gè)問題問得好。對(duì)于一個(gè)電源，限制它最大輸出功率有兩個(gè)條件。一是它的額定輸出功率。在輸出恒壓的情況下，輸出最大電流就限制了電源輸出功率的上限。二是電源的內(nèi)阻大小。一般穩(wěn)壓電源，在它的額定輸出功率下，內(nèi)阻都很小。對(duì)于其它電源，比如上面的感應(yīng)線圈經(jīng)過倍壓整流吧形成的直流電源，它的內(nèi)阻就決定了所能夠提速的最大功率。

**你說的很對(duì)，在電路原理課程中，曾經(jīng)講過，一個(gè)線性電源，如果開路電壓是U0，內(nèi)阻為R0，那么它能夠最大輸出的功率是在外部負(fù)載也是R0的時(shí)候產(chǎn)生，此時(shí)輸出功率為 U0^2/(4*R0)。**這個(gè)功率是該電源最大可能輸出功率。如果這個(gè)功率大于電源的額定功率，則電源的最大功率有它的額定功率決定。

當(dāng)然，接收線圈電源的內(nèi)阻未必是恒定的。下圖是測(cè)試了接收線圈整流后輸出電壓與輸出電流之間的曲線。由于輸出電壓并不是隨著電流增加線性下降，所以對(duì)應(yīng)的電源內(nèi)阻不是一個(gè)常量。從圖中可以看出，輸出電壓曲線斜率隨著電流增加而變大，所以對(duì)應(yīng)的輸出動(dòng)態(tài)內(nèi)阻也增加。

不過為了后面探討簡(jiǎn)單起見， 我們還是大體認(rèn)為接收線圈內(nèi)阻是恒定的，把它當(dāng)做一個(gè)線性電源。上面圖中也繪制出輸出功率，可以看到輸出功率在電壓下降到一半的時(shí)候接近最大值。

通過上述公式可以看出，如果想提高電源輸出功率，就需要提高它的開路電壓U0,減少它的內(nèi)阻。電源的開路電壓直接可以有電壓表測(cè)量，它的內(nèi)阻可以通過輸出負(fù)載電流的變化值去除輸出電壓的變化值間接得到。

由于發(fā)射線圈是由組委會(huì)提供，對(duì)于它的參數(shù)參賽隊(duì)伍無(wú)法改變。所以，我們只能討論其它影響U0,R0的因素。這其中包括接收線圈的大小，匝數(shù)，位置等。由于現(xiàn)在我手邊只有一個(gè)多股紗包線繞制的接收線圈，因此這一次先不考慮接收線圈本身的因素。還好，這個(gè)線圈大小適合按照在一般的車模底盤上，如果它能夠滿足要求，就不必費(fèi)事去試驗(yàn)更多的線圈了。

因此，剩下的問題是如何擺放這個(gè)線圈了。你說，線圈應(yīng)該越低越好，是吧。

從直觀上，如果接收線圈距離發(fā)射線圈距離越大，它們之間的磁場(chǎng)耦合就會(huì)越松散，所能夠傳遞電能功率的能力就會(huì)下降。那么這個(gè)距離在多大范圍內(nèi)，能夠滿足要求呢。下面可以通過一組實(shí)驗(yàn)來測(cè)量線圈高度以及偏移量對(duì)于接受電能供率的影響。

這里，我有一個(gè)可以由單片機(jī)控制的升降臺(tái)，它可以控制接收線圈的高度。可以初步看到，隨著線圈高度增加，所產(chǎn)生的電壓就會(huì)降低。

由于決定輸出功率有開路電壓U0，內(nèi)阻R0兩個(gè)因素，所以還需要測(cè)量?jī)?nèi)阻。這里給倍壓整流電源連接一個(gè)電子負(fù)載，它可以設(shè)置消耗的電流。這樣可以通過輸出電流對(duì)于輸出電壓的影響，間接計(jì)算出接收線圈輸出內(nèi)阻。

你問，什么是電子負(fù)載。

它就相當(dāng)于一個(gè)可變電阻器，只是可以通過串口控制它消耗的電流。具體的實(shí)現(xiàn)方式可以參見后面的推文介紹。

通過MATLAB控制上面的電子升降臺(tái)以及電子負(fù)載，可以測(cè)量每一個(gè)高度下接收線圈輸出電流-電壓曲線。下面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是花了10分鐘的時(shí)間完成的整個(gè)測(cè)量。高度從0.5cm到7.5cm,分成50個(gè)等間距，負(fù)載電流從100mA到560mA分成41測(cè)量點(diǎn)。通過MATLAB的Surf命令繪制出接收線圈輸出直流電壓的變化。

從整體上可以看出，隨著高度從0.5CM增加7.5CM，輸出電壓從30V左右，降低到12V。這個(gè)變化趨勢(shì)與直觀的分析是一直的。輸出電流從100mA增加到560mA,可以引起輸出電壓變化3V左右，因此可以計(jì)算式對(duì)應(yīng)的輸出內(nèi)阻R0，再根據(jù)開路電壓U0，可以得到此時(shí)接收線圈可能輸出的最大功率。

下圖繪制出了不同高度下，接收線圈輸出在100mA下的電壓V1，對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻R0,以及最大可能輸出功率。

從上圖可以看出，在不同的高度下，接收線圈電源內(nèi)阻都在3~5歐姆左右，輸出電壓在很大范圍內(nèi)隨著高度增加線性下降，由此計(jì)算出來的最大輸出功率則隨著高度呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。

圖中還標(biāo)有兩條輸出額定功率（15W,20W）所對(duì)應(yīng)的高度（6.3CM， 7.2CM）。將來，競(jìng)賽組委會(huì)所提供的無(wú)線發(fā)射電源功率如果有了限制，那么在上述高度內(nèi)，使用該線圈都可以獲得額定的功率。

通過以上分析，使用現(xiàn)在手邊的接收線圈，采用倍壓整流所獲得到充電電源，在高度6CM以內(nèi)，都可以獲得20W的最大輸出功率。

在接收線圈的高度范圍確定以后，究竟充電的時(shí)候接收線圈擺放在什么位置來進(jìn)行充電呢？你的意見是什么呢？

你說，按照常理，應(yīng)該接收線圈的中信對(duì)齊發(fā)送線圈的中心是最理想的位置。

為了回答接收線圈在水平什么范圍內(nèi)可以保證接受的功率的問題，下面仍然采用實(shí)驗(yàn)的方式來驗(yàn)證。

下面這個(gè)水平水平移動(dòng)平臺(tái)還是前年測(cè)試電軌賽道中，鋪設(shè)的金屬膜對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度影響時(shí)制作的。現(xiàn)在利用這個(gè)平臺(tái)移動(dòng)接收線圈相對(duì)發(fā)送線圈的位置偏移，重新進(jìn)行上面的測(cè)量。只是此時(shí)，將高度變成了位置偏移量，接收線圈的高度為2厘米。

仍然測(cè)量出不同位置偏移量下的接收線圈的電壓與輸出電流曲線。下面這張圖就是繪制的數(shù)據(jù)。

很漂亮吧，的確。可以保證得失，這個(gè)曲線不是數(shù)學(xué)模型算出來的。而是由真實(shí)數(shù)據(jù)繪制的。你可看出什么出乎意料的現(xiàn)象嗎？

對(duì)，居然輸出電壓在接收線圈中心與發(fā)送線圈中心對(duì)齊的情況下并不是最高的！

通過和前面計(jì)算方式相同，根據(jù)電壓-電流曲線計(jì)算出每個(gè)位置下接收線圈的內(nèi)阻。由于存在部分位置，輸出電壓為0，因此計(jì)算出來的內(nèi)阻接近于0。為了不影響后面計(jì)算最大輸出功率，將所有小于3.5歐姆的內(nèi)阻都置成3.5歐姆。然后再計(jì)算出每一個(gè)位置接收線圈可能輸出的最大功率。

從上圖中可以得到以下結(jié)論，雖然輸出電壓并不是在中心對(duì)齊的時(shí)候達(dá)到最大，但是中心對(duì)齊的時(shí)候內(nèi)阻偏小，所以最大功率有所提升。當(dāng)接收線圈全部位于發(fā)射線圈內(nèi)的時(shí)候，最大輸出功率即可達(dá)到最大值，大于35W。并在其間保持相對(duì)恒定。因此，在車模充電的時(shí)候，只要將接收線圈放置在發(fā)射線圈范圍內(nèi)，并不要保持中線對(duì)齊，即可能獲得最大功率。

如果發(fā)送線圈限制了最大發(fā)送功率，比如20W，當(dāng)接收線圈位于發(fā)送線圈內(nèi)部的時(shí)候接收功率就由20W的發(fā)送功率限制了。

上述結(jié)論是在線圈高度為2厘米的情況下的結(jié)論。如果將線圈高度提高到7厘米，那么同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：

此時(shí)，只有當(dāng)接收線圈與發(fā)送線圈中線對(duì)齊的時(shí)候，輸出電壓最大。同樣，可以計(jì)算出每個(gè)偏移量下的內(nèi)阻和最大功率。可以看到，線圈最大輸出功率已經(jīng)小于15W，而且需要保證接收線圈的中線與發(fā)送線圈中心對(duì)齊。

我們總結(jié)一下上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的一些結(jié)論：

繞制線圈采用多股紗包線繞制。

接收線圈通過串聯(lián)諧振電容使其在640kHz發(fā)生諧振。采用簡(jiǎn)單的倍壓整流便可以獲得可觀的輸出電壓。如果使用全波整流，也可以。

安裝接收線圈盡量接低。 此時(shí)，接收線圈位于發(fā)送線圈內(nèi)，便可以獲得最大功率輸出了。

當(dāng)然，如果有條件還可以對(duì)于不同尺寸的接受線圈進(jìn)行試驗(yàn)。選擇既能夠保證輸出功率，同時(shí)體積又小的方案，可以減少整體的車模尺寸。

什么？你說無(wú)線充電這么簡(jiǎn)單？

這還只是研究了接收線圈和整流的基本形式。如何檢測(cè)發(fā)送線圈的最大功率，如何實(shí)現(xiàn)最大功率下的電容充電還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)充電電路。并不是直接將接收線圈整流輸出接到儲(chǔ)能電容上就可以的。
編輯：hfy