**祖禪同學(xué)，**今天我們討論何進行有效無線電磁能量發(fā)送和接收方案。今年智能車節(jié)能組比賽中，要求參賽車模通過賽道上的無線充電線圈完成車模充電。至今組委會尚未公布無線充電具體規(guī)格和方案，因此，需要我們自行研究和制作一個無線發(fā)送和接收系統(tǒng)，用于節(jié)能車模的制作和調(diào)試。

在開始，我有一個簡單的工程問題，看你是否能夠給出有效的解決方案。這個問題是：現(xiàn)在讓你使用一個竹籃去打水，將面前的水缸裝滿，你該怎么做才有效果呢？

祖禪：這的確是一個具有挑戰(zhàn)的問題。不過為了有效打水，還是可以從以下幾個方面方案優(yōu)化的：

挑選或者制作一個網(wǎng)眼非常密集的竹籃，如果是一個密不透風(fēng)的竹籃更好；

可以在竹籃里裝滿吸水的海綿；沒有海綿，棉花也行；

打水的時候保持竹籃水平，不要撒了水。

可是，我想問你，這竹籃打水和今天討論無線電能傳輸有什么關(guān)系呢？

好吧，美麗智慧的祖禪，對于你的回答，我也是醉了。居然你在竹籃打水的時候還想到端平竹籃，這究竟是細心呢?或是死心眼呢？不過有了這樣善于動腦筋的隊友，在探索的路途上將會更加有趣。

你所給出的方案的確對于竹籃打水非常有幫助。下面，我就說說無線電能傳輸與竹籃打水有何關(guān)系，然后再看看如何使用你給出的辦法提高打水的效率。

無線電能傳輸 = 竹籃打水

根據(jù)前幾次討論（智能永動車、無線充電、如何把大象裝進冰箱、節(jié)能車模）通過無線電磁耦合的方式將電能傳送到節(jié)能車模是一個方便可行的方法。不過在電能無線傳輸過程中，如果考慮不周，就像竹籃打水一樣，電能會在傳輸過程中通過各種途徑漏掉，造成傳輸效率降低低，這一切的問題都來自于無線傳輸過程中的高頻振蕩功率信號。

（背景圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

這其中可能造成電能泄露因素包括有：

1. 線路與器件損耗

只要線路不是超導(dǎo)體，流經(jīng)電流就會由線路的電阻產(chǎn)生損耗。這種損耗無論是在低頻還是在高頻都存在。根據(jù)電阻功率計算公式 P= R* I* I，可以知道線路損耗與電流平方成正比。所以在傳遞相同功率過程中，提高電壓、降低電流時減少線路損耗的有效方法。

線路損耗與工作頻率關(guān)系不大，但是一些器件（功率MOS、電感、電容等）的損耗往往會隨著信號的頻率增加而大幅度增加。

首先，電子功率開關(guān)器件（MOS，IGBT，整流二極管等）在高頻下，它們的開關(guān)損耗就會大幅度提升。在下圖中顯示了兩種普通的MOS管在MD1211 驅(qū)動下柵極的波形，MD1211是專門用于MOS管驅(qū)動的IC芯片。原本PWM方波波形出現(xiàn)了比較明顯的上升和下降的過程，這是MOS打開與關(guān)斷的過渡過程。在過渡過程中，MOS管處于變阻區(qū)域，這就會產(chǎn)生比較大的功率損耗。

柵極的過渡過程的長短部分取決于器件的柵極-源極之間的等效電容。從下圖可以看出，由于IRF4010輸入電容筆IRF3710大了很多，因此它對應(yīng)的柵極波形對應(yīng)的過渡過程就相應(yīng)拉長了。

由于MOS管柵極-源極之間不是一個線性電容，存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系。所以，決定MOS器件開關(guān)速度還與它的柵極驅(qū)動電荷有關(guān)系。比如，將柵極電壓從0V增加到10V，柵極會沖入相應(yīng)的電荷，IRF3710對應(yīng)190nC，AUIRF4010對應(yīng)150nC。而專門用于逆變的高頻MOS管AOT254L則只有27nC, AOD2544只有25nC。所以雖然ATO254L的輸入電容有2150pf，與IRF3710差不多，由于它的柵極驅(qū)動電荷很小，所以它的開關(guān)速度則比IRF3710快得多。下圖則是同樣MD1211驅(qū)動AOT254以及AOD254的波形。

降低MOS的開關(guān)損耗，一方面可以減少開關(guān)時間，另一方面可以利用諧振使得開關(guān)過程發(fā)生在MOS漏極電壓恰好為零的時候進行。

除了功率MOS管，對于普通的電感、電容器件來說，本身是用于儲能，低頻下消耗電能很小。但是到了高頻之后，對應(yīng)的損耗就會很大。下面使用矢量阻抗儀測試兩種貼片電容在500~1000kHz范圍內(nèi)的阻抗。兩種電容的標稱值均為5.6nF，其中一種是高頻電容（顏色淺灰色），一種是普通的中頻電容（顏色深褐色）。

高頻電容測量結(jié)果顯示，它的等效串聯(lián)電阻是0.028歐姆，等效并聯(lián)電阻為52k歐姆，平均品質(zhì)因數(shù)為1605。對于普通中頻電容，則對應(yīng)的串聯(lián)電阻卻增加了近20倍，對應(yīng)的并聯(lián)電阻也是減小了20倍，品質(zhì)因數(shù)也同樣降低到87 。

某一頻率下的電容品質(zhì)因數(shù)反映了電容能量的損耗比率。比如，品質(zhì)因數(shù)為87，表明電容一個信號周期內(nèi)，所存儲的最大電能，就會有87分之一的能量消耗在并聯(lián)電阻（或者串聯(lián)電阻）上。因此，在信號頻率高的情況下，這個損失能量就不可忽略了。

對于電感，在高頻下，也會有對應(yīng)的等效串聯(lián)或者并聯(lián)電阻，降低器件的品質(zhì)因數(shù)。

2. 輻射損耗

無線電能傳輸過程中，由于是在空氣中進行電磁耦合，不象變壓器通過鐵磁材料將磁場進行約束集中，所以磁場會在在空氣中磁場會發(fā)散開來，這樣就會造成發(fā)送和接收線圈耦合不緊密（互感M<<1）?？諝庵懈哳l交變磁場會形成電磁波，攜帶著電能發(fā)射出去，形成損耗。泄露的磁場（即沒有在發(fā)送和接收線圈之間形成耦合關(guān)系的磁場）更是不參與任何電能傳輸?shù)倪^程，白白在電路中造成損耗。

輻射損耗隨著信號的振蕩頻率增加而增大。下圖顯示了一個紗包繞制成單圈電感線圈，接在矢量阻抗分析儀的輸入端，測量線圈的S11參數(shù)。在這里對于S參數(shù)不做過多的解釋了，如果大家好奇可以查找相應(yīng)的參考資料。通過測量曲線可以看到，在頻率在300MHz左右，線圈的電感與其它一些雜散電容形成了諧振，此時對于S11參數(shù)達到最小值-21.32dB。通過計算可以知道，此時該線圈輸入端口可以近似等效為大約60歐姆的電阻。這個電阻除掉線圈本身的損耗電阻之外，剩下的就是由電磁輻射帶走的能量所等效的電阻了。

3. 渦流損耗

渦流來自于交變磁場在金屬內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場所引起的電流效應(yīng)。渦流一方面可以消耗電能，將電能轉(zhuǎn)化成熱能。另外一方面，在金屬導(dǎo)線內(nèi)也促使形成高頻電流的集膚效應(yīng)，進而進一步加大了電流在導(dǎo)線中的損耗。

4. 無功功率損耗

無功功率是當電路中存在著電感或者電容這些儲能元器件時，流經(jīng)的電流與電壓之間相位產(chǎn)生偏移，進而使得一部分電能在儲能器件之間進行交互。雖然無功功率本身并不直接消耗掉，但是承載無功功率歲對應(yīng)的電流和電壓將會在線路中電阻上產(chǎn)生額外的損耗，進而使得系統(tǒng)效率降低。

5. 雜散損耗

這是那些位于線圈旁邊的一些金屬物體、線圈回路等，它們在感受到高頻交變磁場之后產(chǎn)生交變電流，進而消耗掉一部分電能。瞧瞧下面那個位于主線圈旁邊的小線圈，雖然它并不位于主線圈內(nèi)，但是仍然在旁邊感應(yīng)出相應(yīng)的交變電流點燃LED燈。

因此，在感應(yīng)線圈周圍盡可能減少金屬物體、線圈的存在。

自動化專業(yè)的同學(xué)在大學(xué)所學(xué)的基本專業(yè)內(nèi)容，包括電路原理、電子線路（模電和數(shù)電）、功率電子（電機拖動和逆變電路）都是基于對于電磁現(xiàn)象在低頻下進行集中參數(shù)簡化分析所形成的一些原理和方法。到了高頻無線電能傳輸?shù)臅r候，原來的一些假設(shè)已經(jīng)不存在，因此無線充電這部分工作需要補充一些高頻電子方面的知識。

下面就具體談?wù)勗谠O(shè)計無線電能傳輸電路中，如果把你所提到的的竹籃打水一些方法用于提高系統(tǒng)的效率。

密集的竹籃

實際中，只要竹籃中的編制竹條足夠的密集，是可以讓水停留在竹籃里面。仿照竹籃編制的密集的方法，對應(yīng)著在無線充電系統(tǒng)中采用措施：1.增加耦合線圈的匝數(shù)； 2.增加工作信號的頻率。

在相同的電流下，發(fā)送線圈的匝數(shù)越多，則產(chǎn)生的磁場就會越大。同樣，在相同的交變磁場中，接收線圈匝數(shù)越多，所產(chǎn)生的感應(yīng)打壓也就越大。這樣，在相同的線路電流下，發(fā)送和接收線圈的匝數(shù)越多，所傳送的功率就可以越大。

對于交變頻率來說，對于相同的電流所產(chǎn)生的相同大小的磁場，如果交變磁場的頻率越高，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就會越大，進而傳遞的電能功率就會增加。前面所提到器件損耗中大多與系統(tǒng)中電流成正比。因此，在傳輸相同電功率的時候，頻率越高，對應(yīng)的激發(fā)電流就會越小，進而降低線路中電阻中的損耗。

但并不是頻率越高越好。在前面介紹的其它一些損耗（器件損耗、輻射損耗、雜散損耗中）都是隨著頻率增加而顯著增加。因此，在選擇工作頻率時需要根據(jù)實際器件的情況進行折中?，F(xiàn)在常用到小功率無線傳輸所使用的頻率大都在100kHz到1MHz之間。

由于無線充電系統(tǒng)功率信號頻率選擇很高，電子線路中的一些元器件就需要考慮到它們的高頻特性是否滿足要求。在前面介紹電容損耗的時候，就可以知道普通的中頻電容在高頻電流下會產(chǎn)生很大的損耗，進而引起電容溫度增加，同時造成電容容值的改變。同樣，對于功率MOS管需要選擇開關(guān)時間短、電壓與電流能夠滿足要求的MOS管。

在高頻電路中，會存在很多諧振電路。在后面介紹的參考電路中就存在串聯(lián)諧振電路。此時諧振回路中在電容和電感上往往會產(chǎn)生比線路供電電壓高得多的電壓，所以，在器件選擇中還需要特別主要到器件的電壓等級。普通的表貼電容電壓標稱值往往只有50V，這樣就極易在工作過程中被擊穿。下面的5.6nF的高頻表貼電容，就是在無線充電的接受回路中，由于諧振過壓造成電容損壞：短路或者斷開。

吸水的海綿

由于電磁感應(yīng)充電中，承載能量傳輸?shù)拇艌鲈诳諝庵袩o法做到像光線那樣定向傳輸，而是像水波一樣分散在空間，這使得發(fā)送和接收線圈之間的電磁耦合無法做到像變壓器那樣的緊密。這些散漏的磁場會引起額外的能量損耗。如果能夠像在竹籃里增加吸水海綿那樣，將磁場都圈在兩個耦合的線圈之間，那樣就可以大大提高傳輸?shù)男柿恕?/p>

增加兩個感應(yīng)線圈之間的耦合程度，一個最簡單的方法就是盡量將兩個線圈做的一樣大小，并且靠的很近。這樣就可以避免磁場的散漏。在前面推文中的實驗也驗證了這方面的情況。由于不像普通的手機充電那樣，車模本身具有一定的高度，同時為了降低車模體積，所以接收線圈也不能夠做得很大。

真正能夠?qū)Υ艌鱿窈＞d那樣進行吸附和濃縮作用的，就是采用鐵磁材料作為線圈的磁芯。這樣利用鐵氧體的高的磁導(dǎo)率，可以小的電流下產(chǎn)生大的磁場。這不僅可以降低工作電流，減少線路損耗，同時也可以將磁場約束在鐵氧體的表面，提高發(fā)射與接收線圈之間磁場耦合程度。

這個方法很有效果，在很多的無線充電設(shè)備中都具有這樣帶有鐵氧磁芯的線圈。但是，對于無線節(jié)能車來講，如果使用鐵氧體線圈則會增加車模體積與重量，所以使用磁芯需要適可而止。

端平的竹籃

在一定工作電源電壓下，為了增加傳輸功率，也就是增加交變磁場的強度，往往需要利用電感、電容組成的諧振電路。通常情況下，對于LC串聯(lián)諧振電路，則可以在電感線圈兩端產(chǎn)生高的電壓。對于LC并聯(lián)諧振電路，則在同樣的輸入電流情況下在線圈中產(chǎn)生強的諧振電流。下面就是一個簡單的單管恒流LC并聯(lián)諧振無線發(fā)送電路。

電路中T1是功率MOS管，L1是是MOS漏極負載。選取足夠大的L1形成震蕩線圈的恒流激勵源。發(fā)送線圈通過C200,C201形成并聯(lián)諧振回路。T1在占空比為50%的驅(qū)動信號作用下呈現(xiàn)周期開關(guān)狀態(tài)。

對于諧振回路來講，實際上有兩種工作模式。第一種模式是在T1截止的時候，對于發(fā)送線圈來講，諧振電容時C200，C201串聯(lián)后的電容。第二種模式是T1導(dǎo)通的時，電容C200被旁路，諧振電容只有C201。所以發(fā)射線圈的電壓信號是兩種諧振信號的疊加。

下圖顯示了電路中A點的波形，其中藍線信號是T1的驅(qū)動信號；青色信號則是發(fā)送線圈電感兩端的諧振信號?？梢钥闯?，在T1驅(qū)動信號為低時，T1截止。諧振電容時C200，C201串聯(lián)，對應(yīng)的諧振信號頻率高。在T1驅(qū)動信號為高時，T1導(dǎo)通，諧振電容只有C201，對應(yīng)的諧振信號頻率低。

如果驅(qū)動信號的頻率恰好與上述兩個諧振頻率匹配，則T1的導(dǎo)通與截止的時刻都是恰逢并聯(lián)電容C200的電壓為0 ，這樣就不會在T1上產(chǎn)生開關(guān)損耗。頻率匹配是，振蕩信號具有左右對稱，兩個諧振頻率工作周期也恰好相等。

在電路穩(wěn)態(tài)時，為了保證L1上的電流穩(wěn)定，所以在C200上的平均電壓要等于工作電壓Uhv。由于C200上只有振蕩信號的半波信號，所以為了達到平均電壓等于Uhv,半波信號的峰值應(yīng)該等于3.14Uhv。而C200上的電壓是電感諧振信號在C200,C201上的分壓，因此，可以得到電感諧振電壓的峰值等于 (C201+C200)/C201 * 3.14 * Uhv。假設(shè)，C201與C200相等，因此，諧振信號的峰值就會等于工作電壓6Uhv。所以這就是利用了諧振產(chǎn)生了強的輸出線圈的感應(yīng)電壓。如果想進一步提高諧振電壓，可以增加C200的參數(shù)。

以上分析是在驅(qū)動信號與諧振頻率匹配的情況下產(chǎn)生的結(jié)果。如果驅(qū)動信號的頻率與諧振頻率不匹配，則在T1導(dǎo)通與關(guān)斷C200上會存在正電壓或者負電壓，這就會在T1導(dǎo)通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生損耗，同時也會是的C200上產(chǎn)生過早充電或者過早放電，對于諧振回路中的能量造成額外的損失。

上圖顯示的就是頻率過低和過高時對應(yīng)的振蕩波形的畸變?？梢钥闯觯C振波形已經(jīng)不再左右對稱，兩個震蕩模式工作時間也不相等了，此時系統(tǒng)的工作效率就會急劇下降。

所以，對應(yīng)端平竹籃的措施，就是使得發(fā)送電路始終處在諧振狀態(tài)。這樣可以避免更多的能量損失。

祖禪同學(xué)，說實在的，你前面的三個辦法的確很聰明。不過你忘了，現(xiàn)在正好是冬天，實際上，你只需要使用普通的竹籃，將水井里或者河水中的冰塊裝滿竹籃，運回水缸，自然就會很快將水缸裝滿了。