互感式无线电能传输原理研究

课程名称：电路基础实验

实验题目：互感式无线电能传输原理研究

课程简要信息

《电路基础实验》的课程学时为16学时，主要训练学生使用常用仪器、识别常用元件，熟悉元件参数测量、电路特性的时间域和频率域测量方法。适用于通信工程、自动化、电子科学技术等相关电类专业的大二学生。

实验内容与任务

近场互感耦合是近距离无线电能传输的一种常用方式。本实验采用简化的互感电路模型进行互感耦合无线电能传输系统的原理分析，通过相关电路特性测量结果与理论计算和仿真的对比分析、可变参数设计、现象研究，加深对相关电路理论和方法的理解，引导学生解决工程实践相关问题。

图1 实验电路

A． 基础部分

1) 测量发送线圈和接收线圈的电感值L1、L2。，测量两线圈靠近时最大互感M和耦合系数k。

2）测量L2与C2的串联谐振频率f0。在两回路无耦合条件下，用发送板上给定的三个电容值组合成C1，使其与L1也谐振于f0。

3）按图1搭建发送和接收回路，连接发送回路到频率为f0的5Vpp交流信号源，不接负载RL，用测量和计算方法得到从负载RL看到的戴维南等效电路参数，并进行比较分析。

4）保持信号源不变，连接负载RL并调节电阻值使其获得最大功率，测量并验证。

5）去掉负载电阻，将测试模块接入接收线圈回路，验证无线能量传输可正常工作。

B． 扩展部分

1）改变信号频率,当负载变化时保持其吸收功率不变。

意义：在无限能量应用中，通过改变电源频率可适应负载变化，保持功率恒定。

任务：

a. 要求负载功率维持在最大功率的一半Pmax/2。通过调高信号频率的办法来使负载达到此功率值。

b. 设测得的匹配负载为RL=RL0，对于负载的RL0/2、RL0和2RL0三种阻值，测量保持其功率在Pmax/2所需要的信号频率。

c. 用Multisim仿真方法验证测量结果，并求出三种情况下电源到负载的功率传输效率。

2）利用负载调制实现数据通信。

意义：实际应用中，电能接收设备需通过互感线圈给发送设备传递设备ID、充电功率等参数。为了实现信息的传送，接收设备动态改变接收回路的总阻抗，使得发送线圈上的电压幅度发生微小变化；能量发送装置监测这个微小幅度变化，据此解调出通信数据。

任务：在基础步骤（5）基础上，用两种方法让发送线圈电压幅度产生10%变化：

（a）动态改变负载电阻RL（通过附加并联电阻的通断）

（b）动态改变电容C2（通过附加并联电容的通断）

用理论计算或仿真方法得出需要动态并联的电阻值或电容值，并用实验测量来验证。分析哪一种方式比较好，说明理由。

实验过程及要求

1. 课前预习：RLC谐振电路特性，回路Q值，互感系数，反映阻抗等原理。准备好实验需要的计算公式。

2. 在实验室用给定的电路板和元件搭建发送和接收回路，完成要求的实验测量，记录测试结果和元件参数值。包括：C1，C2，L1，L2，f0,k，匹配负载RL0，接收回路负载端戴维南等效电路参数。

3. 对于扩展部分,预先进行方案设计、计算和仿真，选定接近的电阻和电容搭建电路进行实验测量，并记录负载调制下发送线圈电压幅度值。

4. 根据实际元件参数进行理论计算，Multisim仿真，与实验结果进行比较，并进行误差分析。

5. 撰写、提交实验报告。

相关知识及背景

近距离的无线电能传输采用电感耦合方式进行，广泛应用于便携式设备充电，植入人体电子设备供电等。实际无线电能传输系统的典型构成如图2所示。实际系统的设计问题包括调节负载电压，调节传输功率，提高传输效率等，这些问题涉及多方面电路理论应用。研究互感式无线电能传输可了解实际工程应用，并加深对相关电路理论和方法的理解。

图2 实际的互感式无线电能传输系统组成

实际系统中涉及到非线性电子电路和控制电路等，在电路实验中需要进行简化，重点突出能量耦合传递原理。实际电能传输过程包括“DC电源-逆变为AC-互感耦合-整流-DC负载”，本实验案例中简化为图3的互感耦合电路模型，其中能量传输过程变为了“AC电源-互感耦合-AC负载”。工程设计中也大多采用这种近似的线性电路模型进行分析和计算。利用这个模型可分析最大功率传输匹配方案、传输效率分析等。

图3 简化的互感电路模型

教学目标与目的

1）了解实际的工程应用问题，了解无线电能传输的工作原理和应用问题。

2）熟悉并学会运用相关的电路理论知识，包括：串联/并联阻抗等效，互感反映阻抗分析，谐振电路特性，品质因数，最大功率传输条件，阻抗匹配等。

3）掌握相关的实验技能，包括：交流电压、电流测量，阻抗测量，耦合系数测量，频率特性测量，交流戴维南等效参数测量等。

教学设计与引导

本实验源于工程实践问题，包含理论学习、电路搭建、特征参数测量、理论计算与仿真及实际测量结果性能比较、方案对比总结等过程。

实验教学设计的要点包括：

1）合理设计选择实验参数。信号频率采用较低频率，参照WPC-QI标准，选为100KHz-200kHz，减少寄生参数影响，便于测量。

2）为避免损坏信号源，或受信号源内阻影响过大，采用在发送线圈中串联电阻的方式，降低功率。接收回路采用LC并联匹配网络，适合高阻值负载，有利于连接桥式整流电路时二极管的导通。此方案也可使测量、仿真和计算结果更加接近。

3）预先选择发送、接收回路元件组合，制作模块，实现元件值差异化，避免相互抄袭或预先知道结果。教师可利用装置编号或二维码快速识别。

实验教学中对学生的引导包括：

1）布置具体的课前预习内容，提供参考阅读资料，让学生了解相关应用背景。

2）要求学生进行相关理论知识点和计算推导，包括LC谐振（谐振频率、特征阻抗、回路品质因数）、互感 （耦合系数、反映阻抗）、及阻抗串并转换，负载调制等。

3）实验过程中，要求学生规范记录实验数据和实验现象，进行误差分析，方案改进等。

4）实验完成后，撰写实验报告，可以组织学生以分组讨论、教师评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其工程应用实际系统和实验系统的差别。

实验原理及方案

为提高实验效率，实现参数差异化，采取预制实验装置方法。装置分为电能发送板，接收板，负载模块。发送板上包括发送回路元件，接收板包括接收回路元件，由学生自行连接。负载模块包含整流电路、电阻、LED指示灯等，用于检验和演示。教师可利用装置编号或二维码快速识别预制模块的参数，方便检查验收。

图4

本实验中发送回路和接收回路采用LC谐振方式实现阻抗匹配和提高传输效率等目的。涉及的相关理论知识点和计算推导包括：

1）LC谐振匹配

发送回路线圈用串联电容C1,接收线圈回路用并联电容C2实现阻抗匹配。电容与线圈电感谐振于同一工作频率（典型参数下约100kHz）

2）互感模型

测量出线圈阻抗L1,L2后，靠近线圈测量L2开路电压可得到互感和耦合系数

典型参数k=0.7。

3）从负载RL看进去的戴维南等效参数

在谐振频率下，发送回路总阻抗Z1=R1，R1是信号源内阻与串联电阻之和，100Ω左右。利用反映阻抗分析，考虑到谐振条件，计算下图中发送回路到接收回路的反映阻抗Z2r，，在典型参数Z2r约为1Ω。将其与L2进行阻抗串并联转换，得到戴维南等效阻抗约为，典型参数为100Ω。

图5 戴维南等效阻抗和开路电压

典型参数下VOC=Vs。

4）最大功率匹配条件下，f=f0, RL=|Z0|, PL=Pmax。

5）升高工作频率f>f0, 发送回路阻抗模增大，反映阻抗Z2r模减小，Z0模升高，负载功率降低。对于不同负载，改变失谐频率可维持负载功率恒定，如下图所示

图6 改变频率维持负载功率恒定

6）负载调制原理：改变接收回路中电容或电阻，反映到发送回路的阻抗Z1r变化，发送线圈电感上电压幅度即变化。

教学实施进程

1）分发参考阅读材料，布置预习

2）学生在实验室领取实验材料，完成实验。实验过程中实验教师对实验电路、关键实验数据进行核实验收。

3）对学生扩展部分内容提供需要的电阻和电容元件。

4）教师扫码确认学生实验的最终结果数据。

5）学生完成实验后的计算、分析、仿真等，撰写实验报告。

6）学生提交实验报告，教师按照预定评分标准，结合实验室验收和报告内容对实验评分。

实验报告要求

实验报告要求和需反映的工作：

1）实验目的与要求

2）课前预习相关理论知识点和计算推导

2）实验装置编号或二维码

3）实验方案对比分析，电路图。

4）原始测量结果记录：谐振频率，L1，L2，C1，C2，耦合系数k,次级等效电路VOC和Z0，匹配负载阻值RL0，负载最大功率Pmax。负载变化时频率值，负载调制需要的电容和电阻变化量。

5）根据实际元件参数进行理论计算，与实验结果进行比较。

6）根据实际元件参数进行Multisim仿真，与实验结果比较。

7）方案对比、误差分析

8）实验总结、问题讨论。

考核要求与方法

1. 课前预习：相关知识点、理论公式准备。实验教师在实验室检查。

2. 过程、步骤和方案：电路搭建、仪器的使用、测试步骤是否完成。

3. 基本实验数据：测试数据记录是否完整、规范，数据是否正确（教师扫描实验板二维码确认）。

4. 扩展内容：是否完成，何种方案，记录数据。

5. 实验报告：实验报告的规范性、完整性，分析计算、仿真和结论分析是否正确、独到。

项目特色或创新

1. 工程背景：实验题目源于实际工程问题，测试和分析有实际意义，能扩展知识面。

2. 基础性：侧重电路基础知识和基本实验技能，采用简化电路模型，贴近实际电路教学需要。

3. 综合性: 涉及多个电路理论知识点，包含多种测量练习。

4. 参数差异性：利用预制模块参数差异性促使学生独立操作，避免抄袭。同时，实验电路参数和结果预先不可知，实际参数在实验后确定，用于实验后分析。

5. 内容充实：预习包括资料查阅，理论推导和实验方案准备，实验后工作包括理论计算、仿真和问题讨论。

6. 易操作: 结果简单易验证，便于教师检查和验收，可用于大范围必做实验。

参赛选手信息表