實驗名稱:

無線電能傳輸系統中新型線圈結構的準恒定互感計算與優化

研究方向:

無線電

實驗設備:

ATA-3090功率放大器、任意波形函數發生器、數字功率分析儀、示波器、三維移動平臺、發射線圈、發射端補償電容、接收線圈、接收端補償電容和無感負載電阻

實驗內容:

從線圈本體結構的優化設計出發，基于準恒定互感計算與優化方法，設計了在水平方向具有高偏移容忍度的新型線圈結構，在不需要額外增加任何諧振補償網絡和輔助控制裝置的情況下，能夠大幅度提高系統在水平方向上的抗偏移能力。

實驗過程:

首先搭建MCR-WPT系統樣機和無線電能傳輸試驗平臺如上圖圖1所示，圖中實驗儀器分別為功率放大器、任意波形函數發生器、數字功率分析儀、其中任意波形函數發生器和Aigtek的ATA-3090功率放大器組成系統電源，負載電阻采用高精度無感可調變阻器，高精度三維移動平臺可以實現線圈間水平方向偏移，移動距離精度可達0.1mm，示波器用來觀測系統輸入輸出波形，使系統保持諧振狀態，數字功率分析儀用來分析系統的輸出功率和效率。

通過連續改變兩接收線圈反串聯型結構的接收線圈在Y軸方向的偏移距離，得到系統輸入電壓、輸入電流與輸出電壓、輸出電流以及系統傳輸效率隨偏移距離的變化情況如圖2和圖3所示。

圖1：無線電能傳輸試驗平臺

圖2為偏移時系統的輸出功率和傳輸效率隨偏移距離的變化關系，系統傳輸效率指負載功率與電源的輸入功率之比。線圈正對時，系統輸出功率為54.63W，傳輸效率為91.37%；當發射線圈沿Y軸+方向偏移到極限距離240mm時，系統的輸出功率為55.33W，傳輸效率為91.18%；當發射線圈沿Y軸-方向偏移到極限距離240mm時，系統的輸出功率為57.22W，傳輸效率為90.03%。在超過Y軸+方向或Y軸-方向的偏移極限距離后，再隨著偏移距離的增加，系統傳輸效率加速下降，這是由于互感減小導致的；同時系統的輸出功率也迅速增大，這是因為互感在一定范圍內的減小會引起發射線圈Tx中的電流增加，從而使得系統輸出功率增加。

圖2：輸出功率與傳輸輸出功率與傳輸效率隨偏移距離變化關系圖

系統的輸出電壓Uout和輸出電流Iout隨偏移距離的變化關系如圖3所示，從系統輸出電壓曲線上看，Y軸+方向的極限偏移距離為240mm，此時Uout為24.18V，Y軸-方向的極限偏移距離同樣也為240mm，此時Uout為24.52V，而在超出Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離后，Uout不能穩定在24V，并隨偏移距離的增加而增加。

圖3：輸出電壓與輸出電流隨偏移距離變化關系圖

實驗結果:

兩接收圓形線圈反串聯型結構具有很強的抗偏移性能。發射線圈外圈直徑為465mm，接收線圈外圈直徑為610mm的磁耦合機構，在Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離240mm范圍內，系統的傳輸效率整體上幾乎不隨偏移距離的變化而變化，而且傳輸效率始終保持在90%以上，輸出功率變化不超過5%，在沒有任何輔助控制裝置的情況下，系統輸出電壓和輸出電流也基本可以保持恒定。

圖4：互感測量試驗平臺

兩接收線圈反串聯型結構通過優化設計后，在沒有增加任何阻抗匹配網絡和輔助控制裝置的情況下，可實現系統在任意水平方向（包括X軸和Y軸方向）偏移240mm內（相當于發射線圈外徑的51.6%）90%以上高效率能量傳輸，輸出功率和傳輸效率幾乎可以保持恒定，同時可以實現恒壓和恒流輸出，能夠極大簡化MCR-WPT系統的恒壓或恒流控制策略，并降低系統的成本和控制難度。此結構不僅適用于便攜式和家用移動電子產品的靜態無線電能傳輸系統，同時也適用于電動汽車和工業機器人等動態無線電能傳輸系統。

圖5：Y 軸方向偏移的互感計算、仿真測量值

實驗中用到的ATA-3090功率放大器的參數指標：

本文實驗案例參考自知網論文《無線電能傳輸系統中新型線圈結構的準恒定互感計算與優化》