功率放大器在無線電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱:

無線電能傳輸系統(tǒng)中新型線圈結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)恒定互感計(jì)算與優(yōu)化

研究方向:

無線電

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:

ATA-3090功率放大器、任意波形函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字功率分析儀、示波器、三維移動(dòng)平臺(tái)、發(fā)射線圈、發(fā)射端補(bǔ)償電容、接收線圈、接收端補(bǔ)償電容和無感負(fù)載電阻

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:

從線圈本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，基于準(zhǔn)恒定互感計(jì)算與優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了在水平方向具有高偏移容忍度的新型線圈結(jié)構(gòu)，在不需要額外增加任何諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輔助控制裝置的情況下，能夠大幅度提高系統(tǒng)在水平方向上的抗偏移能力。

實(shí)驗(yàn)過程:

首先搭建MCR-WPT系統(tǒng)樣機(jī)和無線電能傳輸試驗(yàn)平臺(tái)如上圖圖1所示，圖中實(shí)驗(yàn)儀器分別為功率放大器、任意波形函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字功率分析儀、其中任意波形函數(shù)發(fā)生器和Aigtek的ATA-3090功率放大器組成系統(tǒng)電源，負(fù)載電阻采用高精度無感可調(diào)變阻器，高精度三維移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)線圈間水平方向偏移，移動(dòng)距離精度可達(dá)0.1mm，示波器用來觀測系統(tǒng)輸入輸出波形，使系統(tǒng)保持諧振狀態(tài)，數(shù)字功率分析儀用來分析系統(tǒng)的輸出功率和效率。

通過連續(xù)改變兩接收線圈反串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的接收線圈在Y軸方向的偏移距離，得到系統(tǒng)輸入電壓、輸入電流與輸出電壓、輸出電流以及系統(tǒng)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(yàn)平臺(tái)

圖2為偏移時(shí)系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率隨偏移距離的變化關(guān)系，系統(tǒng)傳輸效率指負(fù)載功率與電源的輸入功率之比。線圈正對(duì)時(shí)，系統(tǒng)輸出功率為54.63W，傳輸效率為91.37%；當(dāng)發(fā)射線圈沿Y軸+方向偏移到極限距離240mm時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率為55.33W，傳輸效率為91.18%；當(dāng)發(fā)射線圈沿Y軸-方向偏移到極限距離240mm時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)傳輸效率加速下降，這是由于互感減小導(dǎo)致的；同時(shí)系統(tǒng)的輸出功率也迅速增大，這是因?yàn)榛ジ性谝欢ǚ秶鷥?nèi)的減小會(huì)引起發(fā)射線圈Tx中的電流增加，從而使得系統(tǒng)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(guān)系圖

系統(tǒng)的輸出電壓Uout和輸出電流Iout隨偏移距離的變化關(guān)系如圖3所示，從系統(tǒng)輸出電壓曲線上看，Y軸+方向的極限偏移距離為240mm，此時(shí)Uout為24.18V，Y軸-方向的極限偏移距離同樣也為240mm，此時(shí)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(wěn)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(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

兩接收圓形線圈反串聯(lián)型結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗偏移性能。發(fā)射線圈外圈直徑為465mm，接收線圈外圈直徑為610mm的磁耦合機(jī)構(gòu)，在Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離240mm范圍內(nèi)，系統(tǒng)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(tǒng)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(yàn)平臺(tái)

兩接收線圈反串聯(lián)型結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在沒有增加任何阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和輔助控制裝置的情況下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在任意水平方向（包括X軸和Y軸方向）偏移240mm內(nèi)（相當(dāng)于發(fā)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)恒壓和恒流輸出，能夠極大簡化MCR-WPT系統(tǒng)的恒壓或恒流控制策略，并降低系統(tǒng)的成本和控制難度。此結(jié)構(gòu)不僅適用于便攜式和家用移動(dòng)電子產(chǎn)品的靜態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)，同時(shí)也適用于電動(dòng)汽車和工業(yè)機(jī)器人等動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)。

圖5：Y 軸方向偏移的互感計(jì)算、仿真測量值

實(shí)驗(yàn)中用到的ATA-3090功率放大器的參數(shù)指標(biāo)：

本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《無線電能傳輸系統(tǒng)中新型線圈結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)恒定互感計(jì)算與優(yōu)化》