功率放大器在无线电能传输系统中的应用

实验名称:

无线电能传输系统中新型线圈结构的准恒定互感计算与优化

研究方向:

无线电

实验设备:

ATA-3090功率放大器、任意波形函数发生器、数字功率分析仪、示波器、三维移动平台、发射线圈、发射端补偿电容、接收线圈、接收端补偿电容和无感负载电阻

实验内容:

从线圈本体结构的优化设计出发，基于准恒定互感计算与优化方法，设计了在水平方向具有高偏移容忍度的新型线圈结构，在不需要额外增加任何谐振补偿网络和辅助控制装置的情况下，能够大幅度提高系统在水平方向上的抗偏移能力。

实验过程:

首先搭建MCR-WPT系统样机和无线电能传输试验平台如上图图1所示，图中实验仪器分别为功率放大器、任意波形函数发生器、数字功率分析仪、其中任意波形函数发生器和Aigtek的ATA-3090功率放大器组成系统电源，负载电阻采用高精度无感可调变阻器，高精度三维移动平台可以实现线圈间水平方向偏移，移动距离精度可达0.1mm，示波器用来观测系统输入输出波形，使系统保持谐振状态，数字功率分析仪用来分析系统的输出功率和效率。

通过连续改变两接收线圈反串联型结构的接收线圈在Y轴方向的偏移距离，得到系统输入电压、输入电流与输出电压、输出电流以及系统传输效率随偏移距离的变化情况如图2和图3所示。

图1：无线电能传输试验平台

图2为偏移时系统的输出功率和传输效率随偏移距离的变化关系，系统传输效率指负载功率与电源的输入功率之比。线圈正对时，系统输出功率为54.63W，传输效率为91.37%；当发射线圈沿Y轴+方向偏移到极限距离240mm时，系统的输出功率为55.33W，传输效率为91.18%；当发射线圈沿Y轴-方向偏移到极限距离240mm时，系统的输出功率为57.22W，传输效率为90.03%。在超过Y轴+方向或Y轴-方向的偏移极限距离后，再随着偏移距离的增加，系统传输效率加速下降，这是由于互感减小导致的；同时系统的输出功率也迅速增大，这是因为互感在一定范围内的减小会引起发射线圈Tx中的电流增加，从而使得系统输出功率增加。

图2：输出功率与传输输出功率与传输效率随偏移距离变化关系图

系统的输出电压Uout和输出电流Iout随偏移距离的变化关系如图3所示，从系统输出电压曲线上看，Y轴+方向的极限偏移距离为240mm，此时Uout为24.18V，Y轴-方向的极限偏移距离同样也为240mm，此时Uout为24.52V，而在超出Y轴+方向和Y轴-方向极限偏移距离后，Uout不能稳定在24V，并随偏移距离的增加而增加。

图3：输出电压与输出电流随偏移距离变化关系图

实验结果:

两接收圆形线圈反串联型结构具有很强的抗偏移性能。发射线圈外圈直径为465mm，接收线圈外圈直径为610mm的磁耦合机构，在Y轴+方向和Y轴-方向极限偏移距离240mm范围内，系统的传输效率整体上几乎不随偏移距离的变化而变化，而且传输效率始终保持在90%以上，输出功率变化不超过5%，在没有任何辅助控制装置的情况下，系统输出电压和输出电流也基本可以保持恒定。

图4：互感测量试验平台

两接收线圈反串联型结构通过优化设计后，在没有增加任何阻抗匹配网络和辅助控制装置的情况下，可实现系统在任意水平方向（包括X轴和Y轴方向）偏移240mm内（相当于发射线圈外径的51.6%）90%以上高效率能量传输，输出功率和传输效率几乎可以保持恒定，同时可以实现恒压和恒流输出，能够极大简化MCR-WPT系统的恒压或恒流控制策略，并降低系统的成本和控制难度。此结构不仅适用于便携式和家用移动电子产品的静态无线电能传输系统，同时也适用于电动汽车和工业机器人等动态无线电能传输系统。

图5：Y 轴方向偏移的互感计算、仿真测量值

实验中用到的ATA-3090功率放大器的参数指标：

本文实验案例参考自知网论文《无线电能传输系统中新型线圈结构的准恒定互感计算与优化》