無線充電軌道供電式電動汽車模型

李順++王丹+王萬昆

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統利用電磁感應耦合技術與電力電子技術相結合，實現電能的無接觸傳輸，消除了傳統的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

關鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統采用電磁感應原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結構上，實現了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統的基本構成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結構組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經過功率放大器轉換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統的感應耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經過變壓器感應耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸的功率能夠達到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統屬于疏松耦合式結構，系統的功率傳輸能力較差。同時系統輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結構—串聯、并聯補償結構。在諧振頻率下，采用串聯補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯/并聯補償。在實際應用中，可以使用串、并聯補償相結合的方式，通過選擇適當的補償電容來提高系統的穩定性和功率因數。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構建

電動汽車模型的設計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠將工頻電壓轉變為高頻電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標準的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發現由于電壓的頻率過高，功率會發生反射現象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償的具體的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠實現無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發模塊，其構成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責拍照并且通過內部集成發射模塊經2.4G頻率的無線發送，USB接收器負責接收信號并且傳輸到電腦，而電腦安裝相應軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經測試，該模塊可實現圖片的實時傳輸。

4 結語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統利用電磁感應耦合技術與電力電子技術相結合，實現電能的無接觸傳輸，消除了傳統的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

關鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統采用電磁感應原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結構上，實現了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統的基本構成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結構組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經過功率放大器轉換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統的感應耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經過變壓器感應耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸的功率能夠達到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統屬于疏松耦合式結構，系統的功率傳輸能力較差。同時系統輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結構—串聯、并聯補償結構。在諧振頻率下，采用串聯補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯/并聯補償。在實際應用中，可以使用串、并聯補償相結合的方式，通過選擇適當的補償電容來提高系統的穩定性和功率因數。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構建

電動汽車模型的設計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠將工頻電壓轉變為高頻電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標準的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發現由于電壓的頻率過高，功率會發生反射現象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償的具體的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠實現無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發模塊，其構成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責拍照并且通過內部集成發射模塊經2.4G頻率的無線發送，USB接收器負責接收信號并且傳輸到電腦，而電腦安裝相應軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經測試，該模塊可實現圖片的實時傳輸。

4 結語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統利用電磁感應耦合技術與電力電子技術相結合，實現電能的無接觸傳輸，消除了傳統的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

關鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統采用電磁感應原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結構上，實現了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統的基本構成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結構組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經過功率放大器轉換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統的感應耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經過變壓器感應耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸的功率能夠達到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統屬于疏松耦合式結構，系統的功率傳輸能力較差。同時系統輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結構—串聯、并聯補償結構。在諧振頻率下，采用串聯補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯/并聯補償。在實際應用中，可以使用串、并聯補償相結合的方式，通過選擇適當的補償電容來提高系統的穩定性和功率因數。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構建

電動汽車模型的設計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠將工頻電壓轉變為高頻電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標準的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發現由于電壓的頻率過高，功率會發生反射現象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償的具體的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠實現無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發模塊，其構成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責拍照并且通過內部集成發射模塊經2.4G頻率的無線發送，USB接收器負責接收信號并且傳輸到電腦，而電腦安裝相應軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經測試，該模塊可實現圖片的實時傳輸。

4 結語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統的無線小車模型，并在其基礎上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統視在功率的要求，降低了系統成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint