波形對磁共振式無線充電的影響

陳棚+季濤

摘 要：為了探究提高無線充電效率的方法，我們設計出可變波、可調頻的磁共振式無線充電裝置，研究輸電轉化效率隨波形和頻率的變化規律。研究表明在磁共振時，三角波在觸發信號下輸電轉化效率最高。

關鍵詞：磁共振；無線電能傳輸；LC振蕩電路；觸發信號

一、引言

本文主要研究波形對充電效率的影響。充電模式采用磁共振式方式，發射線圈和接收線圈采用相同固有頻率的LC振蕩電路。旨在研究各個波形下的充電效率，為無線充電領域提供一些參考數據和借鑒。

二、實驗結果與討論

實驗中采用函數發生器提供各種波形以及各種頻率的觸發信號，采用OCL放大電路來對輸入的小信號進行放大。利用電壓表、電流表變阻箱等儀表檢測放大電路以及接收端的電流和電壓值，以此計算功率值。在LC回路中，電容Cp為0.02μF，發射線圈和接收線圈均為自繞線圈，匝數為50圈，直徑為10cm。估算出LC振蕩電路的固有頻率約為20KHz。

為了探究該裝置的電能傳輸中的頻率對充電效率和功率的影響，我們將測試波段設在10.5KHz～40.5KHz之間，根據實際應用，我們將負載電阻設置在273.5Ω。我們分別測試了觸發信號為余弦波、方波和三角波時輸出端的直流功率輸出變化規律。結果表明當激發頻率約為16KHz時轉化效率最高，此時LC線圈發射信號和接收信號同步，如圖1所示。

如圖2所示，當觸發信號為余弦波時，激發頻率在16.5KHz、24.5 KHz附近時，電路的轉化效率和輸出功率都出現了極大值，分別為17%和15%；觸發信號為方波時，激發頻率在16.5KHz、34.5 KHz附近時，電路的轉化效率出現了極大值；當觸發信號為三角波時，激發頻率在16.5KHz、34.6 KHz附近時，電路的轉化效率出現了極大值。

經研究表明，當激發頻率在16.5KHz時，在觸發信號為三角波和方波下，裝置的電能傳輸效率分別為26%和25%，明顯高于余弦波觸發時17%的轉化效率，這有可能是在波形放大時余弦波信號失真造成的。因此相對于余弦波而言，三角波和方波對放大電路無需有過高的需求。在相同的放大電路上，三角波觸發具有略高于方波的觸發時的轉化效率。三角波和方波在信號頻率約為34.5KHz時，也出現了傳輸效率的峰值，但小于16.5KHz時的效率，這是由于觸發信號處在LC振蕩電路的倍頻下形成的諧振倍頻引起的。LC電路的內電阻使倍頻數據相對于理論值略有差異。

三、結論

從三個不同的波形可以看出激發信號頻率在16.5KHz時，即LC振蕩電路頻率與激發信號的頻率相同發生共振，此時接收端和發射端都在固有共振頻率上，在任何波形下，電能傳輸效率都是最高的；當觸發信號處在倍頻條件下時也能使接收端和發射端共振，但效率略低。在激發信號頻率在16.5KHz時，三角波的轉化效率能達到最高為26%。

參考文獻：

[1]胡濟宇，季濤，鄒儒佳.雙模式可調的無線電能傳輸[J].電子器件，2017（1）：224-227.

[2]陳煒峰，朱美杰，郭海軍，等.電磁屏蔽對無線充電系統的影響分析，南京信息工程大學信學報（自然科學版），2013，5（2）：163-166.