火中取栗

1.背景介绍

  在 第十六届全国大学生智能车竞赛^[1] 中包括了一组无线节能组。通过无线信标发送的高频（150kHz，遵循 无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定^[2] ）磁场获得最大 不超过50W^[3] 的充电功率，为车模上的 超级法拉电容^[4] 充电。

  由于充电功率最高限制，因此车模所使用的电量越小，所需充电时间越少，进而节省了比赛时间。

  相比于 往届无线节能组^[5] 的充电方案，今年节能信标组在无线电磁波频率、 输出功率上限^[6] ，还是在 恒功率控制方案^[7] 等方面都与之前无线节能组比赛系统有所不同，所以在高效电能接收方面也会与以前电能接收不同。

2.往届无线电能接收方案

  在以前智能车竞赛无线节能组电能接收方面，主要方式有两大类：

• 恒功率接收方案。这个方案在 如何把大象装进冰箱^[8] 中进行量描述。很多参赛队伍在此基础上进行了改进。

• 简单直接充电方案，也称傻充方案。这个方案可以参见 如何制作640k无线接收器^[9] 公众号推文中的视频介绍。

  由于往届无线充电功率较小，虽然电能发送模块限制为30W，但是实际电路接收到的功率也只有十几瓦，因此无论是恒功率接收、还是建议接收方案都不会对电路有特殊的要求。

  但是随着充电功率的增加，在无线电能接收方案、电路制作、器件选择等方面都需要进一步的优化，以保证充电电路的高效、可靠。

3.电能发送与接收线圈

  无线电能传送是通过发送与接收线圈完成的。根据 无线节能信标核心板V4-测试-2021-4-3^[10] 对于无线信标测试结果来看，无线发送线圈的基本参数如下：

• 线圈的基本参数：

• 电感（uH）：30.58

• 电阻（Ω）：0.108

• 重量（g）：88.2

• 尺寸：内径：17.5cm；外径：20.8cm

• 匝数：9匝

  作为节能信标组的车模 竞赛规则^[1] 允许自制车模。为了达到节能的目的，车模往往制作的非常轻便。这样也就使得接收线圈越小越好。比如下面的这个接收线圈直径之后10厘米左右，重量47克（一两左右）。相比直接使用与发送线圈一样的线圈作为无线电能接收线圈，它就比较好安装。

• 线圈的基本参数：

  电感（uH）：13.79

  电阻（Ω）：0.068

  重量（g）：47

  尺寸：内径：7.1cm；外径10.9cm

  匝数：10匝

  使用小线圈接收电能所到来的问题是它与发送线圈之间的互感量较小。比如通过测量大线圈与小线圈之间的串联电感的方式，可以得到当小线圈位于大线圈中心位置时，两个线圈之间的互感系数大约只有0.2左右。

• 互感测量参数：

  同相串联电感：Ls= 52.57 uH

  反向串联电感：Lr=  35.94 uH

  互感M= 4.16 uH

  互感系数：k=0.203

  所以需要设计良好的外部补偿LC网络，来提高电能接收的功率和效率。

1.测量接收线圈感应电压

（1）相同高度下接收电压

  将接收线圈与发送线圈放在相同高度，中心重合。使用DM3068数字万用表的交流档测量接收线圈中的交变电压为：。

  直接测量发射线圈两端电压：。

  如果根据前面测量大线圈的电感，两个线圈之间的互感：。则可以计算接收线圈中的电压理论值为：

  可以看到这与直接测量的结果是相符的。

▲ 将接收线圈放置于发送线圈中心

（2）不同高度下的接受电压

  下图是显示了接收线圈距离发射线圈在 0 ~ 80mm不同高度下的接受电压。

  通过测量曲线可以看出，随着接收线圈高度增加，电压近似呈现线性下降。下降的比例大约是：-0.843V/cm。

2.谐振电容

  由于在无线发送模块对线圈采用了 LCC网络补偿^[11] ，可以保证发送线圈电流呈现恒流状态。所以在接收线圈中的感应电动势为恒定电压值。如果直接采用全波整流，或者倍压整流来将接收到的交流电压信号转换成直流信号，则需要给线圈串联上谐振电容，来抵消接收线圈的电感。

  根据前面对接收小线圈的电感测量，，所以在无线频率下，谐振电容容量为：81.64nF。

  由于使用在高频高压下， 所以电容需要使用 C0G(NP0) 这类高频损耗小的电容。

3.全波整流与倍压整流

（1）肖特基二极管

  由于是高频电压信号，因此使用肖特基二极管可以提高整流效率。在 两个大功率肖特基二极管的V-A特性^[12] 中对比了两个大功率整流肖特基二极管的V-I特性。可以看到标称为10A的肖特基二极管在通过3A电流时的到通电压降比5A的肖特基二极管小75mV。

  我手边5A规格的肖特基二极管比较多，所以下面的实验采用5A肖特基二极管搭建全波整流和倍压整流电路。

  利用 粘贴铜箔简易实验电路制作^[13] 测试整流电路。如下图所示，包括全桥整流以及倍压整流电路。

（2）全波整流

a）空载电压

  测量所得到的空载电压为：。

b）10Ω负载

  在输出直流电压上施加10Ω的电阻负载。

• 测量结果：

  电源输入电流：0.5253A 负载电压：9.61V

• 传输效率：73.2%

  
  

（3）倍压整流

a）空载电压

  测量空载下输出电压：。

b）10欧姆负载

• 测量结果：

• 电源输入电流：1.69A 负载电压：16.8V

• 传输效率：69.6%

  
  

  
  

  由于节能信标车模是往储能法拉电容充电，它的端口电压是从0V开始逐步增高。如果按照前面全波整流，倍压整流对应的恒压输出，则会造成电流波动大。下面通过LCC补偿电流来使得充电电流达到恒定。

1.LCC参数补偿

  采用在 无线充电系统在输出部分采用LCC拓扑结构综述研究^[14] 中给出的双边LCC补偿结构，来提高接收效率。

（1）设计条件

• 假设设计输出电流。

• 选择输入电压。

• 接收线圈电感：。

• 工作频率：

（2）LCC参数计算

• LCC 基本电抗。

• 输出电感：

  
  

• 并联电容：

  
  

• 串联电容：

  

2.LCC器件制作

  电感采用在 节能无线信标灯的几点补充测实验^[15] 所使用的 T106-2磁环，使用200股的Litz线绕制15匝，电感为。

  电容使用电容经过串并而形成。

  使用粘贴铜箔制作测试电路，将上面的LCC补偿网络搭建起来，最后使用全波整流电路输出接收直流电能。

3.测试LCC网络

  将10欧姆功率电阻连接在整流桥输出网络。将接收线圈放置在发射线圈中间。

• 测试结果：

  电源输出电流：2.41A 负载电压：19V

• 计算结果：

  输入功率：输出功率：功率传输效率：

  从测试结果来看，输出电流只有1.9A左右，并没有达到所需要3A。这其中的原因有待进一步讨论。

  传输效率比起前面直接使用全波整流降低了。

4.线圈的位置

  将小线圈放置在大线圈不同的位置，输出的功率不同。前的实验中，如果将小线圈放置在大线圈的正中央，开始输出的电压只有16V左右。如下将小线圈放置在大线圈的边缘，则输出的电压就会大大提高。

• 测试结果：

  电源输出电流：2.93A 负载电压：21.18V

• 计算结果：

  输入功率：输出功率：功率传输效率：

1.使用LCC补偿网络

  利用第三部分的LCC补偿网络，后接桥整流电路，将直流输出接法拉电容。使用电流钳测量充电电流。

  下图显示了充电过程电容上的充电电流与电容两端电压变化情况。需要说明的是，最后电压突然降低是手动闭合法拉电容的放电开关所引起的。

  这个充电过程说明了LCC网络对于充电电流的横流作用。整个充电过程中，电流波动很小。由于充电电流恒定，所以电容上冲的电压可以大大超过接收线圈的感应交流电压信号峰值。

  上述曲线横坐标的单位是0.1秒；纵坐标中电压比例为：2000对应大约12V。使用电流钳测量充电电流为3.5A。

  下面是对60F电容进行充电，采样时间放低了一半。同样反映了LCC补偿电路使得充电电流基本保持恒定。

2.不使用LCC补偿网络

  直接将接收线圈串联谐振电容之后，连接整流桥，对于法拉电容进行充电。

  下图反映了对于15F的电容充电过程中的电流是电容端口电压。可以看到电流变化非常剧烈。在电容电压很小的时候，电流非常大。随后，便进入一个电流缓降的过程，这是由于无线发射模块进行功率限制所引起的充电电流缓慢变化。后来当电容电压超过10V之后，充电电流便急剧下降，充电速度明显降低。

  下面是针对60F的电容进行充电的过程，采样速度降低了一半。基本过程与前面15F电容充电相似，只是中间电流缓降过程延长了。

  前面通过实验，对于节能信标组充电方案进行了对比。新的无线发送模块不仅提高了发送功率上限，也通过LCC网络补偿保证了无线电磁场恒定，这就是的接收线圈方案可以更加的稳定可靠。

  充电方案可以简单的给电能接收线圈串联（注意：不是并联）谐振电容，然后通过全桥整流后直接对法拉电容充电。这种方案利用发送模块的功率限制能力保持在充电的稳定性。但是在充电一开始会有很大的电流冲击，有可能会造成整流二极管损坏。在充电末期，充电速度明显降低了。充电最高电圧受到接收线圈与发送线圈之间的互感量有关。可以通过设计接收线圈的尺寸和匝数，确定最高充电电压。

  在接收电路中通过LCC补偿网络，可以保证接受电流的稳定性。同时在不改变接收线圈尺寸和匝数的情况下，只是通过调整LCC的参数便可以调整接受电流的大小。由于LCC补偿网络的恒流特性，法拉电容充电电压理论上可以非常高，因此，需要在接受的过程中即时观察法拉电容上的电压，一旦超过阈值，则需要车模迅速离开充电区域。

参考资料