波形对磁共振式无线充电的影响
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注： 本 文工作 得到上海工程技术大学 大学生创新训 练项 日“ 波 形 和 占空 比 对 磁 共 振 武 无 线 充 电 的 影 响 ”（ 项 目编 号： ｅ ｘ １ ６ ２ １ ０ ０ ７ ） 的支持 。
１ ０２ ・
２ ０ １ ７年 第 ４期 总第 ４ ４ ６期
自然科 学
波 形对 磁 共 振 式 无 线 充 电的影 响
陈 棚 季 涛
（ 上海 工程技 术 大 学基础教 学学 院 ，上 海 ２ ０ １ ６ ２ ０ ）
摘 要 ： 为 了探 究提 高 无 线 充 电效 率 的 方法 ，我 们 设 计 出 可 变 渡 、 可 调 频 的 磁 共 振 式 无 线 充 电 装 置 ，研 究输 电 转化效率 随波形和频 率的 变化规律。研 究表 明在磁共振 时，三 角波在触发信 号下输电转化 效率最高。
图 ｌ 共振时 。 发 射 端和 接 收 端 Ｌ Ｃ 电路 上 的信 号
附近 时 ， 电路 的转 化效 率出现了极大值 。 经研 究表 明 ， 当激 发 频率 在 ｌ ６ ． ５ ＫＨ ｚ 时， 在触 发 信号 为 三角波和 方波下 ， 装置 的电能 传输效 率 分别 为 ２ ６ ％和２ ５ ％， 明显 高 于 余 弦 波 触 发 时 ｌ ７ ％ 的转化效 率 ， 这 有 可 能 是 在 波 形 放大 时余 弦波信号 失真造成 的 。因此相 对于余 弦波 而 言 ， 三 角 波 和 方 波 对 放 大 电 路 无 需 有 过 高 的 需 求 。 在 相 同 的 放 大 电路 上 ， 三角波 触发 具 有略 高 于方 波 的触 发 时 的转 化效 率 。 三角 波和方波 在信 号频 率约 为 ３ ４ ． ５ Ｋ Ｈｚ 时， 也 出现 了传输 效 率 的峰值 ， 但小 于 ｌ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ时的 效率 ， 这是 南 于触 发 信 号处 在 Ｌ Ｃ振 荡 电路 的倍 频 下 形 成 的 谐 振 倍 频 引 起 的 Ｌ Ｃ电 路 的 内电阻使倍 频数据相 对于理论 值略有 差异 。
关 键 词 ：磁 共 振 ； 无 线 电 能 传 输 ；Ｌ Ｃ振 荡 电路 ；触 发 信 号
一
、
引 言
６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 时， 角波的转化效率能达到最高 为 ２ ６ ％。
本 文 主 要 研 究 波 形 对 充 电效 率 的 影 响 。 充 电模 式 采 磁 共振式方式 ， 发 射 线 圈 和接 收线 圈 采 用 相 同 同 有 频 率 的 Ｌ Ｃ振 荡 电路 。 旨在 研 究 各 个 波 形 下 的 充 电 效 率 ， 为 无 线 充 电 领 域 提供一些 参考 数据 和借鉴。 二、 实 验 结 果 与 讨 论
实验 中采用 函数发生器提供各 种波形 以及 各种频 率 的触 发信号 ， 采用 Ｏ Ｃ Ｌ放大 电路 来对输 入 的小信 号进行 放 大。利 用电压表 、 电 流 表 变 阻 箱 等 仪 表 检 测 放 大 电路 以 及 接 收 端 的 电流和 电压值 ， 以此 计 算功 率 值 。在 Ｌ ｃ回路 中， 电容 ｃ ｐ为 ０ ． ０ ２ Ｆ， 发 射 线 圈 和 接 收 线 网 均 为 自绕 线 圈 ， 匝数 为 ５ Ｏ圈 ， 直 径为 １ ０ ｅ ｍ。估算 出 Ｌ Ｃ振荡电路的 固有频率约 为 ２ ０ Ｋ Ｈ ｚ 。 为 了探 究 该 装 置 的 电 能 传 输 中 的 频 率 对 充 电 效 率 和 功 率 的影响 ， 我们将测试 波段设 在 １ ０ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ ～４ ０ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ之间 ， 根据 实际应用 ， 我们将负载电阻设 置在 ２ ７ ３ ． ５ ｎ。我 们 分 别 测 试 了 触 发信号为余弦 波 、 方 波 和三 角波时 输 出端 的直流功 率输 出 变 化 规 律 。结 果 表 明 当激 发 频 率 约 为 １ ６ Ｋ Ｈ ｚ时 转 化 效 率 最 高， 此时 Ｌ Ｃ线 圈发射信 号和接收信号同步 ， 如图 １ 所 示。 如图 ２ 所 示 ， 当 触发 信号 为 余 弦波 时， 激 发 频 率 在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ２ ４ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 附近时 ， 电路 的转 化效 率和输 ｝ ¨ 功率 都 出
三ห้องสมุดไป่ตู้ 结 论
触 发频 率 （ Ｋ Ｈ ｚ ）
图 ２ 触 发 信 号 为 方波 、 三 角 波
和余弦波 时， 装 置 的输 电 效 率
参考文献 ：
［ １ ］ 胡济 宇， 季涛 ， 邹儒佳 ． 双模式 可调 的无线 电能传输 ［ Ｊ ］ ． 电
子 器件 ． ２ ０１ ７（ １ ）： ２ ２ ４—２ ２ ７ ．
［ ２ ］ 陈炜峰 ， 朱 关杰 ， 郭海 军， 等． 电磁 屏 蔽对 无线充 电系统 的 影 响 分析 ， 南 京 信 息 工程 大 学信 学报 （ 自然科 学 版 ） ， ２ ０ １ ３ ，
５（ ２）： ｌ ６ ３—１ ６ ６ ．
从三个不 同的 波形 可 以 看 出激 发 信 号频 率在 ｌ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 时， 即Ｌ Ｃ振 荡电路频率 与激 发信 号 的频 率相 同发 生共振 ， 此 时接收端和 发射端都 在固有共振 频率上 ， 在任何 波形 下 ， 电能 传输效率都是最 高 的； 当触发 信号 处在倍 频条 件下 时 也能 使 接收端 和 发 射 端 共 振 ， 但 效 率 略 低。 在 激 发 信 号 频 率 在
现 了极大值 ， 分别 为 １ ７ ％和 ｌ ５ ％； 触发 信号 为方波 时 ， 激 发 频 率在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ３ ４ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 附近时 ， 电路 的转 化 效 率 Ｌ ｈ 现 了 极 大 值； 当触 发信 号为 三角波 时 ， 激 发频率 在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ３ ４ ． ６ Ｋ Ｈ ｚ
注： 本 文工作 得到上海工程技术大学 大学生创新训 练项 日“ 波 形 和 占空 比 对 磁 共 振 武 无 线 充 电 的 影 响 ”（ 项 目编 号： ｅ ｘ １ ６ ２ １ ０ ０ ７ ） 的支持 。
１ ０２ ・
２ ０ １ ７年 第 ４期 总第 ４ ４ ６期
自然科 学
波 形对 磁 共 振 式 无 线 充 电的影 响
陈 棚 季 涛
（ 上海 工程技 术 大 学基础教 学学 院 ，上 海 ２ ０ １ ６ ２ ０ ）
摘 要 ： 为 了探 究提 高 无 线 充 电效 率 的 方法 ，我 们 设 计 出 可 变 渡 、 可 调 频 的 磁 共 振 式 无 线 充 电 装 置 ，研 究输 电 转化效率 随波形和频 率的 变化规律。研 究表 明在磁共振 时，三 角波在触发信 号下输电转化 效率最高。
图 ｌ 共振时 。 发 射 端和 接 收 端 Ｌ Ｃ 电路 上 的信 号
附近 时 ， 电路 的转 化效 率出现了极大值 。 经研 究表 明 ， 当激 发 频率 在 ｌ ６ ． ５ ＫＨ ｚ 时， 在触 发 信号 为 三角波和 方波下 ， 装置 的电能 传输效 率 分别 为 ２ ６ ％和２ ５ ％， 明显 高 于 余 弦 波 触 发 时 ｌ ７ ％ 的转化效 率 ， 这 有 可 能 是 在 波 形 放大 时余 弦波信号 失真造成 的 。因此相 对于余 弦波 而 言 ， 三 角 波 和 方 波 对 放 大 电 路 无 需 有 过 高 的 需 求 。 在 相 同 的 放 大 电路 上 ， 三角波 触发 具 有略 高 于方 波 的触 发 时 的转 化效 率 。 三角 波和方波 在信 号频 率约 为 ３ ４ ． ５ Ｋ Ｈｚ 时， 也 出现 了传输 效 率 的峰值 ， 但小 于 ｌ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ时的 效率 ， 这是 南 于触 发 信 号处 在 Ｌ Ｃ振 荡 电路 的倍 频 下 形 成 的 谐 振 倍 频 引 起 的 Ｌ Ｃ电 路 的 内电阻使倍 频数据相 对于理论 值略有 差异 。
关 键 词 ：磁 共 振 ； 无 线 电 能 传 输 ；Ｌ Ｃ振 荡 电路 ；触 发 信 号
一
、
引 言
６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 时， 角波的转化效率能达到最高 为 ２ ６ ％。
本 文 主 要 研 究 波 形 对 充 电效 率 的 影 响 。 充 电模 式 采 磁 共振式方式 ， 发 射 线 圈 和接 收线 圈 采 用 相 同 同 有 频 率 的 Ｌ Ｃ振 荡 电路 。 旨在 研 究 各 个 波 形 下 的 充 电 效 率 ， 为 无 线 充 电 领 域 提供一些 参考 数据 和借鉴。 二、 实 验 结 果 与 讨 论
实验 中采用 函数发生器提供各 种波形 以及 各种频 率 的触 发信号 ， 采用 Ｏ Ｃ Ｌ放大 电路 来对输 入 的小信 号进行 放 大。利 用电压表 、 电 流 表 变 阻 箱 等 仪 表 检 测 放 大 电路 以 及 接 收 端 的 电流和 电压值 ， 以此 计 算功 率 值 。在 Ｌ ｃ回路 中， 电容 ｃ ｐ为 ０ ． ０ ２ Ｆ， 发 射 线 圈 和 接 收 线 网 均 为 自绕 线 圈 ， 匝数 为 ５ Ｏ圈 ， 直 径为 １ ０ ｅ ｍ。估算 出 Ｌ Ｃ振荡电路的 固有频率约 为 ２ ０ Ｋ Ｈ ｚ 。 为 了探 究 该 装 置 的 电 能 传 输 中 的 频 率 对 充 电 效 率 和 功 率 的影响 ， 我们将测试 波段设 在 １ ０ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ ～４ ０ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ之间 ， 根据 实际应用 ， 我们将负载电阻设 置在 ２ ７ ３ ． ５ ｎ。我 们 分 别 测 试 了 触 发信号为余弦 波 、 方 波 和三 角波时 输 出端 的直流功 率输 出 变 化 规 律 。结 果 表 明 当激 发 频 率 约 为 １ ６ Ｋ Ｈ ｚ时 转 化 效 率 最 高， 此时 Ｌ Ｃ线 圈发射信 号和接收信号同步 ， 如图 １ 所 示。 如图 ２ 所 示 ， 当 触发 信号 为 余 弦波 时， 激 发 频 率 在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ２ ４ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 附近时 ， 电路 的转 化效 率和输 ｝ ¨ 功率 都 出
三ห้องสมุดไป่ตู้ 结 论
触 发频 率 （ Ｋ Ｈ ｚ ）
图 ２ 触 发 信 号 为 方波 、 三 角 波
和余弦波 时， 装 置 的输 电 效 率
参考文献 ：
［ １ ］ 胡济 宇， 季涛 ， 邹儒佳 ． 双模式 可调 的无线 电能传输 ［ Ｊ ］ ． 电
子 器件 ． ２ ０１ ７（ １ ）： ２ ２ ４—２ ２ ７ ．
［ ２ ］ 陈炜峰 ， 朱 关杰 ， 郭海 军， 等． 电磁 屏 蔽对 无线充 电系统 的 影 响 分析 ， 南 京 信 息 工程 大 学信 学报 （ 自然科 学 版 ） ， ２ ０ １ ３ ，
５（ ２）： ｌ ６ ３—１ ６ ６ ．
从三个不 同的 波形 可 以 看 出激 发 信 号频 率在 ｌ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 时， 即Ｌ Ｃ振 荡电路频率 与激 发信 号 的频 率相 同发 生共振 ， 此 时接收端和 发射端都 在固有共振 频率上 ， 在任何 波形 下 ， 电能 传输效率都是最 高 的； 当触发 信号 处在倍 频条 件下 时 也能 使 接收端 和 发 射 端 共 振 ， 但 效 率 略 低。 在 激 发 信 号 频 率 在
现 了极大值 ， 分别 为 １ ７ ％和 ｌ ５ ％； 触发 信号 为方波 时 ， 激 发 频 率在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ３ ４ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 附近时 ， 电路 的转 化 效 率 Ｌ ｈ 现 了 极 大 值； 当触 发信 号为 三角波 时 ， 激 发频率 在 １ ６ ． ５ Ｋ Ｈ ｚ 、 ３ ４ ． ６ Ｋ Ｈ ｚ