一、作品介紹
本作品基于磁耦合諧振式的無線能量傳輸原理，實現一套完整的可用于礦用電機車的無線充電系統。作品的創新點是將無線傳輸技術用于井下礦車充電，利用最大諧振電流實現對礦車的無線自主充電定位，重點是對系統中礦用三相660V交流電進行PWM可控整流和核心部件磁耦合器進行研究，利用有限元仿真軟件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副邊線圈進行特性分析，并通過實驗驗證了仿真的準確性。實現符合礦用電機車需求的無線充電系統，其性能可靠 ，工作穩定，充電電流電壓諧波小，功率因數接近為 1，其無線傳輸效率可達92%以上。
本作品的主要工作包括：
（1）前級通過三電平三相PWM整流，實現了高功率因數的校正，減小了諧波對電網側的污染，實現了整體無線充電系統的綠色無污染。
（2）完成后級無線傳輸方案及參數的設計，利用有限元仿真軟件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副邊線圈的距離、不同線圈尺寸、橫向位移偏差、縱向位移偏差下的線圈自感和互感特性；利用 LTSPICE 進行了無線充電系統電路的仿真，相對準確的模擬了電路工作特性及電力電子器件的開關對電路的影響。最終確定了線圈的幾何尺寸，補償電路的結構、參數及工作狀態；設計了高頻電力電子電路的 PCB，利用 Liz 線進行線圈的制作，并完成了相應的硬件設計和調試，通過實驗確認了補償電路的諧振狀態和 ZVS 軟開關狀態，提高后級無線傳輸的效率；
（3）通過DSP的SCI模塊以及HC-12無線模塊實現了發射側和接收側的無線通訊功能，從而可以利用觸控屏幕顯示無線充電系統的充電狀態并觀察系統中的參數。
二、作品方案與設計
如圖1是整機系統框圖，圖二是樣機的技術參數；
1、前級三相PWM整流設計
如圖2為三相PWM整流系統框圖設計，前級輸入三相交流源為礦井電源，線電壓等級為660V，為了減小輸入電流的畸變率，降低開關管所承受的電壓等級，又結合上述三電平拓撲所具有的優勢，采用NPC三電平整流拓撲作為前級的功率因數校正。
下圖為三相PWM整流的輸入電壓和電流波形
圖3 三相PWM整流的輸入電壓和電流波形
2、后級方波發生器和不控整流的IPT系統設計
系統后級采用了基于LCC補償網絡的無線充電拓撲結構，如圖3所示；
圖3 基于LCC補償網絡的無線充電拓撲結構
表2是樣機的技術指標
表3是LCC補償網絡的參數
磁耦合器仿真
圖4是 ANSYS有限元仿真軟件模擬仿真磁耦合器的模型，為了減輕重量，鐵氧體并不會鋪滿中間層，而是按照磁通走向，把條狀鐵氧體呈放射狀分布放置，并且在優化中，有目的地增加磁密高的區域的鐵氧體用量。
（a）磁耦合器 3D模型示意圖
（b）磁耦合器發射 /接受端側視圖
圖4 發射線圈及接收線圈仿真模型
本設計采用LCC補償網絡的方案，該補償網絡具有
1）恒流源的輸出特性，易于給電池充電，控制簡單，且輸出電流只與輸入電壓和耦合系數K有關；
2）通過改變系統參數來實現ZVS軟開關，提高開關管的工作效率；
3）實現原副邊輸入輸出的電流和電壓同相位，具有功率因數校正的功能；
無線充電的效率一直是關注的的焦點。經由公式推導，效率η 與磁耦合系數和原副邊電感線圈的品質因數有關，因此可以通過提高耦合系數或者提高品質因數來提升系統得傳輸效率。又由于磁耦合系數k在實際工況中是一個較難以改變的參數，所以可以從原副邊電感線圈的品質因數著手來提高傳輸效率，即提升系統的諧振角頻率ω 和降低線圈內阻R。系統頻率的提升必然會帶來系統損耗的增加。目前其開關頻率一般在20kHz-150kHz 之間，考慮到效率和造價成本，折中后諧振頻率設為85kHz。如圖2-3所示為磁耦合器效率曲線，從圖3中可以看出，假定耦合系數為0.15以上，那么在理想狀態下，當線圈的品質因數達到500時，磁耦合器理論上傳輸效率可以到達95%。
圖5 磁耦合器效率曲線
主電路仿真
圖4利用仿真軟件LTspice進一步驗證 LCC 的性能。理論分析只考慮了補償電路對輸入為基波的影響。未考慮高次諧波輸出特性的影響。
圖6 LCC補償網絡的拓撲結構仿真圖
圖7 LCC補償網絡的拓撲結構仿真波形圖
圖5可以看出原副邊的輸入輸出電流電壓同相位，即輸入功率因數接近為1。
實物展示
圖8 高頻逆變發射器PCB
調功電路主要對接受側電池進行充電調節：恒流、恒壓、涓流。
圖9 主線圈實物圖
下圖為500W時的實測仿真波形
圖10 開關管的驅動和管壓降波形
圖11 輸入諧振網絡的電壓和電流波形
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圖12 輸出諧振網絡的電壓和電流波形
最后，很高興在這次研究生電子設計競賽中獲得全國一等獎的成績 |
，同時也感謝
