竹篮打水

  **祖禅同学，**今天我们讨论何进行有效无线电磁能量发送和接收方案。今年智能车节能组比赛中，要求参赛车模通过赛道上的无线充电线圈完成车模充电。至今组委会尚未公布无线充电具体规格和方案，因此，需要我们自行研究和制作一个无线发送和接收系统，用于节能车模的制作和调试。

  在开始，我有一个简单的工程问题，看你是否能够给出有效的解决方案。这个问题是：现在让你使用一个竹篮去打水，将面前的水缸装满，你该怎么做才有效果呢？

  祖禅：这的确是一个具有挑战的问题。不过为了有效打水，还是可以从以下几个方面方案优化的：

  挑选或者制作一个网眼非常密集的竹篮，如果是一个密不透风的竹篮更好；

  可以在竹篮里装满吸水的海绵；没有海绵，棉花也行；

  打水的时候保持竹篮水平，不要撒了水。

  可是，我想问你，这竹篮打水和今天讨论无线电能传输有什么关系呢？

  好吧，美丽智慧的祖禅，对于你的回答，我也是醉了。居然你在竹篮打水的时候还想到端平竹篮，这究竟是细心呢?或是死心眼呢？不过有了这样善于动脑筋的队友，在探索的路途上将会更加有趣。

  你所给出的方案的确对于竹篮打水非常有帮助。下面，我就说说无线电能传输与竹篮打水有何关系，然后再看看如何使用你给出的办法提高打水的效率。

无线电能传输 = 竹篮打水

  根据前几次讨论（智能永动车、无线充电、如何把大象装进冰箱、节能车模）通过无线电磁耦合的方式将电能传送到节能车模是一个方便可行的方法。不过在电能无线传输过程中，如果考虑不周，就像竹篮打水一样，电能会在传输过程中通过各种途径漏掉，造成传输效率降低低，这一切的问题都来自于无线传输过程中的高频振荡功率信号。

  （背景图片来自于网络）

  这其中可能造成电能泄露因素包括有：

  1. 线路与器件损耗

  只要线路不是超导体，流经电流就会由线路的电阻产生损耗。这种损耗无论是在低频还是在高频都存在。根据电阻功率计算公式 P= R* I* I，可以知道线路损耗与电流平方成正比。所以在传递相同功率过程中，提高电压、降低电流时减少线路损耗的有效方法。

  线路损耗与工作频率关系不大，但是一些器件（功率MOS、电感、电容等）的损耗往往会随着信号的频率增加而大幅度增加。

  首先，电子功率开关器件（MOS，IGBT，整流二极管等）在高频下，它们的开关损耗就会大幅度提升。在下图中显示了两种普通的MOS管在MD1211 驱动下栅极的波形，MD1211是专门用于MOS管驱动的IC芯片。原本PWM方波波形出现了比较明显的上升和下降的过程，这是MOS打开与关断的过渡过程。在过渡过程中，MOS管处于变阻区域，这就会产生比较大的功率损耗。

  栅极的过渡过程的长短部分取决于器件的栅极-源极之间的等效电容。从下图可以看出，由于IRF4010输入电容笔IRF3710大了很多，因此它对应的栅极波形对应的过渡过程就相应拉长了。

  由于MOS管栅极-源极之间不是一个线性电容，存在着复杂的非线性关系。所以，决定MOS器件开关速度还与它的栅极驱动电荷有关系。比如，将栅极电压从0V增加到10V，栅极会冲入相应的电荷，IRF3710对应190nC，AUIRF4010对应150nC。而专门用于逆变的高频MOS管AOT254L则只有27nC, AOD2544只有25nC。所以虽然ATO254L的输入电容有2150pf，与IRF3710差不多，由于它的栅极驱动电荷很小，所以它的开关速度则比IRF3710快得多。下图则是同样MD1211驱动AOT254以及AOD254的波形。

  降低MOS的开关损耗，一方面可以减少开关时间，另一方面可以利用谐振使得开关过程发生在MOS漏极电压恰好为零的时候进行。

  除了功率MOS管，对于普通的电感、电容器件来说，本身是用于储能，低频下消耗电能很小。但是到了高频之后，对应的损耗就会很大。下面使用矢量阻抗仪测试两种贴片电容在500~1000kHz范围内的阻抗。两种电容的标称值均为5.6nF，其中一种是高频电容（颜色浅灰色），一种是普通的中频电容（颜色深褐色）。

  高频电容测量结果显示，它的等效串联电阻是0.028欧姆，等效并联电阻为52k欧姆，平均品质因数为1605。对于普通中频电容，则对应的串联电阻却增加了近20倍，对应的并联电阻也是减小了20倍，品质因数也同样降低到87 。

  某一频率下的电容品质因数反映了电容能量的损耗比率。比如，品质因数为87，表明电容一个信号周期内，所存储的最大电能，就会有87分之一的能量消耗在并联电阻（或者串联电阻）上。因此，在信号频率高的情况下，这个损失能量就不可忽略了。

  对于电感，在高频下，也会有对应的等效串联或者并联电阻，降低器件的品质因数。

  2. 辐射损耗

  无线电能传输过程中，由于是在空气中进行电磁耦合，不象变压器通过铁磁材料将磁场进行约束集中，所以磁场会在在空气中磁场会发散开来，这样就会造成发送和接收线圈耦合不紧密（互感M<<1）。空气中高频交变磁场会形成电磁波，携带着电能发射出去，形成损耗。泄露的磁场（即没有在发送和接收线圈之间形成耦合关系的磁场）更是不参与任何电能传输的过程，白白在电路中造成损耗。

  辐射损耗随着信号的振荡频率增加而增大。下图显示了一个纱包绕制成单圈电感线圈，接在矢量阻抗分析仪的输入端，测量线圈的S11参数。在这里对于S参数不做过多的解释了，如果大家好奇可以查找相应的参考资料。通过测量曲线可以看到，在频率在300MHz左右，线圈的电感与其它一些杂散电容形成了谐振，此时对于S11参数达到最小值-21.32dB。通过计算可以知道，此时该线圈输入端口可以近似等效为大约60欧姆的电阻。这个电阻除掉线圈本身的损耗电阻之外，剩下的就是由电磁辐射带走的能量所等效的电阻了。

  3. 涡流损耗

  涡流来自于交变磁场在金属内部产生的感应电场所引起的电流效应。涡流一方面可以消耗电能，将电能转化成热能。另外一方面，在金属导线内也促使形成高频电流的集肤效应，进而进一步加大了电流在导线中的损耗。

  4. 无功功率损耗

  无功功率是当电路中存在着电感或者电容这些储能元器件时，流经的电流与电压之间相位产生偏移，进而使得一部分电能在储能器件之间进行交互。虽然无功功率本身并不直接消耗掉，但是承载无功功率岁对应的电流和电压将会在线路中电阻上产生额外的损耗，进而使得系统效率降低。

  5. 杂散损耗

  这是那些位于线圈旁边的一些金属物体、线圈回路等，它们在感受到高频交变磁场之后产生交变电流，进而消耗掉一部分电能。瞧瞧下面那个位于主线圈旁边的小线圈，虽然它并不位于主线圈内，但是仍然在旁边感应出相应的交变电流点燃LED灯。

  因此，在感应线圈周围尽可能减少金属物体、线圈的存在。

  自动化专业的同学在大学所学的基本专业内容，包括电路原理、电子线路（模电和数电）、功率电子（电机拖动和逆变电路）都是基于对于电磁现象在低频下进行集中参数简化分析所形成的一些原理和方法。到了高频无线电能传输的时候，原来的一些假设已经不存在，因此无线充电这部分工作需要补充一些高频电子方面的知识。

  下面就具体谈谈在设计无线电能传输电路中，如果把你所提到的的竹篮打水一些方法用于提高系统的效率。

密集的竹篮

  实际中，只要竹篮中的编制竹条足够的密集，是可以让水停留在竹篮里面。仿照竹篮编制的密集的方法，对应着在无线充电系统中采用措施：1.增加耦合线圈的匝数； 2.增加工作信号的频率。

  在相同的电流下，发送线圈的匝数越多，则产生的磁场就会越大。同样，在相同的交变磁场中，接收线圈匝数越多，所产生的感应打压也就越大。这样，在相同的线路电流下，发送和接收线圈的匝数越多，所传送的功率就可以越大。

  对于交变频率来说，对于相同的电流所产生的相同大小的磁场，如果交变磁场的频率越高，根据电磁感应原理，所产生的感应电动势就会越大，进而传递的电能功率就会增加。前面所提到器件损耗中大多与系统中电流成正比。因此，在传输相同电功率的时候，频率越高，对应的激发电流就会越小，进而降低线路中电阻中的损耗。

  但并不是频率越高越好。在前面介绍的其它一些损耗（器件损耗、辐射损耗、杂散损耗中）都是随着频率增加而显著增加。因此，在选择工作频率时需要根据实际器件的情况进行折中。现在常用到小功率无线传输所使用的频率大都在100kHz到1MHz之间。

  由于无线充电系统功率信号频率选择很高，电子线路中的一些元器件就需要考虑到它们的高频特性是否满足要求。在前面介绍电容损耗的时候，就可以知道普通的中频电容在高频电流下会产生很大的损耗，进而引起电容温度增加，同时造成电容容值的改变。同样，对于功率MOS管需要选择开关时间短、电压与电流能够满足要求的MOS管。

  在高频电路中，会存在很多谐振电路。在后面介绍的参考电路中就存在串联谐振电路。此时谐振回路中在电容和电感上往往会产生比线路供电电压高得多的电压，所以，在器件选择中还需要特别主要到器件的电压等级。普通的表贴电容电压标称值往往只有50V，这样就极易在工作过程中被击穿。下面的5.6nF的高频表贴电容，就是在无线充电的接受回路中，由于谐振过压造成电容损坏：短路或者断开。

吸水的海绵

  由于电磁感应充电中，承载能量传输的磁场在空气中无法做到像光线那样定向传输，而是像水波一样分散在空间，这使得发送和接收线圈之间的电磁耦合无法做到像变压器那样的紧密。这些散漏的磁场会引起额外的能量损耗。如果能够像在竹篮里增加吸水海绵那样，将磁场都圈在两个耦合的线圈之间，那样就可以大大提高传输的效率了。

  增加两个感应线圈之间的耦合程度，一个最简单的方法就是尽量将两个线圈做的一样大小，并且靠的很近。这样就可以避免磁场的散漏。在前面推文中的实验也验证了这方面的情况。由于不像普通的手机充电那样，车模本身具有一定的高度，同时为了降低车模体积，所以接收线圈也不能够做得很大。

  真正能够对磁场像海绵那样进行吸附和浓缩作用的，就是采用铁磁材料作为线圈的磁芯。这样利用铁氧体的高的磁导率，可以小的电流下产生大的磁场。这不仅可以降低工作电流，减少线路损耗，同时也可以将磁场约束在铁氧体的表面，提高发射与接收线圈之间磁场耦合程度。

  这个方法很有效果，在很多的无线充电设备中都具有这样带有铁氧磁芯的线圈。但是，对于无线节能车来讲，如果使用铁氧体线圈则会增加车模体积与重量，所以使用磁芯需要适可而止。

端平的竹篮

  在一定工作电源电压下，为了增加传输功率，也就是增加交变磁场的强度，往往需要利用电感、电容组成的谐振电路。通常情况下，对于LC串联谐振电路，则可以在电感线圈两端产生高的电压。对于LC并联谐振电路，则在同样的输入电流情况下在线圈中产生强的谐振电流。下面就是一个简单的单管恒流LC并联谐振无线发送电路。

  电路中T1是功率MOS管，L1是是MOS漏极负载。选取足够大的L1形成震荡线圈的恒流激励源。发送线圈通过C200,C201形成并联谐振回路。T1在占空比为50%的驱动信号作用下呈现周期开关状态。

  对于谐振回路来讲，实际上有两种工作模式。第一种模式是在T1截止的时候，对于发送线圈来讲，谐振电容时C200，C201串联后的电容。第二种模式是T1导通的时，电容C200被旁路，谐振电容只有C201。所以发射线圈的电压信号是两种谐振信号的叠加。

  下图显示了电路中A点的波形，其中蓝线信号是T1的驱动信号；青色信号则是发送线圈电感两端的谐振信号。可以看出，在T1驱动信号为低时，T1截止。谐振电容时C200，C201串联，对应的谐振信号频率高。在T1驱动信号为高时，T1导通，谐振电容只有C201，对应的谐振信号频率低。

  如果驱动信号的频率恰好与上述两个谐振频率匹配，则T1的导通与截止的时刻都是恰逢并联电容C200的电压为0 ，这样就不会在T1上产生开关损耗。频率匹配是，振荡信号具有左右对称，两个谐振频率工作周期也恰好相等。

  在电路稳态时，为了保证L1上的电流稳定，所以在C200上的平均电压要等于工作电压Uhv。由于C200上只有振荡信号的半波信号，所以为了达到平均电压等于Uhv,半波信号的峰值应该等于3.14Uhv。而C200上的电压是电感谐振信号在C200,C201上的分压，因此，可以得到电感谐振电压的峰值等于 (C201+C200)/C201 * 3.14 * Uhv。假设，C201与C200相等，因此，谐振信号的峰值就会等于工作电压6Uhv。所以这就是利用了谐振产生了强的输出线圈的感应电压。如果想进一步提高谐振电压，可以增加C200的参数。

  以上分析是在驱动信号与谐振频率匹配的情况下产生的结果。如果驱动信号的频率与谐振频率不匹配，则在T1导通与关断C200上会存在正电压或者负电压，这就会在T1导通和关断过程中产生损耗，同时也会是的C200上产生过早充电或者过早放电，对于谐振回路中的能量造成额外的损失。

  上图显示的就是频率过低和过高时对应的振荡波形的畸变。可以看出，谐振波形已经不再左右对称，两个震荡模式工作时间也不相等了，此时系统的工作效率就会急剧下降。

  所以，对应端平竹篮的措施，就是使得发送电路始终处在谐振状态。这样可以避免更多的能量损失。

  祖禅同学，说实在的，你前面的三个办法的确很聪明。不过你忘了，现在正好是冬天，实际上，你只需要使用普通的竹篮，将水井里或者河水中的冰块装满竹篮，运回水缸，自然就会很快将水缸装满了。

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