智能無線電能傳輸與無線充電實驗平臺的研制

李 俊， 徐 啟， 薄翠梅， 錢小明

（南京工業大學a.電氣工程與控制科學學院；b.教學事務部，南京211816）

0 引 言

電能供給方式的安全性、可靠性、靈活性等方面的要求越來越高。無線電能傳輸系統可以提高電能供給的靈活性、安全性和可靠性，并可以廣泛應用于工業、生活的各個領域，在無線傳輸在手機無線充電、海爾“無尾”電視、電動汽車無線充電、美國太空太陽能148 km無線輸電等領域的應用［1-3］。

感應耦合電能傳輸（ICPT）系統以無直接電氣連接的方式，利用磁場近場耦合將電能從發射端傳輸至接收端，實現了電能的非接觸傳輸。由于該供電方式具有較高的靈活性及安全性，廣泛應用于水下、礦井等特殊場合。近年來，國內外學者對ICPT技術做了許多積極的研究［4-7］。本文通過在ICPT系統的發射側和接收側分別施加補償電路，提高ICPT系統的傳輸功率和效率，并建立了實驗樣機。

1 感應耦合電能無線傳輸系統

ICPT技術是基于磁場近場耦合理論利用法拉第電磁感應定律實現電能的無直接電氣連接傳輸的供電技術。目前，ICPT技術主要應用于中、大功率場合，如電動汽車無線充電、海底網絡設備供電及礦井照明等。由于該供電方式具有較高的靈活性、安全性及可靠性，近年來吸引了眾多學者積極投身于感應電能傳輸技術的研究，主要包括ICPT系統拓撲結構的研究、系統傳輸性能的優化等［8-9］。

LCL諧振型感應電能傳輸系統主要包括整流濾波環節、高頻逆變環節、發射側補償網絡、電磁耦合環節、接收側補償網絡、高頻整流濾波環節和負載等［10-12］，其拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 感應耦合電能無線傳輸系統拓撲結構圖

2 實驗平臺的建立

LCL諧振型感應電能傳輸系統實驗樣機主要包括系統主電路和系統控制電路，建立的LCL諧振型感應電能傳輸系統實驗平臺如圖2所示。在實驗平臺上對LCL諧振型感應電能傳輸系統的發射線圈恒流特性、互感優化指標的可靠性進行實驗驗證，通過實驗研究LCL諧振型感應電能傳輸系統的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關系。

3 實驗測試曲線

3.1 發射線圈恒流測試

為驗證所設計實驗樣機的發射線圈的恒流特性，分別在3種不同傳輸距離和不同負載的條件下進行了實驗：① 負載4.15 Ω，傳輸距離5 cm；② 負載4.15 Ω，傳輸距離10 cm；③ 負載2.4 Ω，傳輸距離10 cm。上述3組實驗的相關實驗波形如圖3所示。由圖3（a）和（b）可知，實驗樣機的發射線圈電流對傳輸距離的變化不敏感，幾乎保持不變；同樣地，依據圖3（b）和（c）可得，發射線圈電流對負載的變化也不明顯，基本維持恒定［13-14］。此外，由圖3可知，在傳輸功率降低時，系統交流輸入電流會發生畸變；這是由于電流中基波分量的所占比例降低造成的［15］。

圖2 LCL諧振型感應電能傳輸系統實驗平臺

3.2 距離特性測試

對建立的LCL諧振型感應電能傳輸系統實驗樣機的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關系進行實驗。分別對傳輸距離為5、6、7、8、9和10 cm進行了實驗，繪制了樣機傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關系圖，如圖4所示，可以看出，傳輸功率和傳輸效率都隨傳輸距離的增大而減小。

圖3 發射線圈恒流測試曲線

圖4 傳輸功率（效率）與傳輸距離關系圖

4 結 語

通過在感應電能傳輸系統的發射側和接收側分別施加補償電路，提高ICPT系統的傳輸功率和效率，建立了以DSP28335為核心的LCL諧振型感應電能傳輸系統的實驗樣機。首先，對LCL諧振型感應電能傳輸系統的發射線圈恒流特性進行了實驗研究，分別在不同負載、不同傳輸距離條件下進行實驗。實驗結果表明，系統發射線圈電流基本恒定；然后，對本文所提出的互感參數優化指標的可靠性進行了實驗驗證，實驗結果顯示了理論分析的正確性；最后，對所建立的LCL諧振型感應電能傳輸系統實驗樣機的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關系進行了實驗研究，在實驗平臺上進行實驗并得出以下結論：

（1）ICPT系統發射線圈電流在變負載和變傳輸距離的影響下幾乎保持恒定，有利于系統的穩定、可靠運行。

（2）優化互感值選取適當的互感值可以達到電流增益與傳輸效率的優化匹配，從而使ICPT系統運行于期望狀態。