基于無線電能傳輸技術的通信電子電路教學案例設計

李然，余萍，韓東升，賈惠彬，李星蓉

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

通信電子電路課程是普通高校通信、電子類專業的必修課程，它不僅使學生了解通信電子電路的基本理論，更重要的是培養學生的硬件電路綜合分析能力和建立系統工程概念[1-3]。由于課程中涉及的功能電路形式多樣、概念抽象并且工程應用場景復雜，一直以來是一門教師難教、學生難學的課程。從長期的教學實踐來看，學生在通信電子電路方面的分析能力、工程實踐能力和設計能力普遍不理想。根據課程教學和學生學習方面存在的問題，相關教師進行了課程教學改革，但主要是基于傳統教學方法實施[4-5]，雖然取得了一定效果，但對學生的通信電子電路綜合分析和設計能力培養還是有所欠缺。

相比于傳統的授課方式，依托于案例的教學模式，以解決典型問題為目標，通過案例的載體，呈現真實工程環境中的問題，將理論學習與實踐有機結合，可以逐步培養學生在學習中主動發現問題、分析問題、解決問題的能力，為培養創新型人才奠定基礎[6]。近年來，很多高校在各類課程中進行了案例式教學嘗試[7-9]。通信電子電路課程是我校的精品課程，結合我校的教學實踐，為幫助學生更深入地理解抽象的概念，在實驗課程中開展了基于案例式教學的“通信電子電路”模塊化實驗方案[10]，并提出了學、教、考分離式實驗教學方案[11]。總體來看，針對通信電子電路的案例式教學研究主要側重于教學方法的研究，較少提及實體案例設計。

無線電能傳輸（Wireless power transfer，WPT）技術最早由尼古拉·特斯拉提出，2006年，MIT提出了磁耦合諧振式WPT 技術[12]，實現了中距離無線電能傳輸，再一次激發了各國學者對WPT 技術的研究興趣。WPT技術中涉及的功率放大、信號源和耦合機構等單元模塊與通信電子電路課程教學內容具有密切的聯系。為了解決通信電子電路課程理論學習內容抽象的問題，加強理論與實際工程案例的聯系，本文將WPT技術引入課程案例建設，設計了智能小車無線充電案例。以該案例新穎的應用背景激發學生的學習積極性，同時以案例系統模型為基礎進行理論分析，步步深入、逐層遞進培養學生將課程理論應用到工程實踐的能力，提高學生在通信電子電路分析設計方面的綜合能力。

1 WPT技術與通信電子電路課程的關系

磁耦合諧振式WPT 技術通過兩個具有相同諧振頻率的耦合機構隔空傳輸電能，系統框圖如圖1所示。工頻電源輸出的交流電經整流濾波后送入高頻逆變單元，逆變后獲得高頻交流電，之后進行功率放大，供給諧振頻率為高頻交流電基波頻率的電能發射線圈，由發射線圈將電能傳輸給接收端。發射線圈和接收線圈是磁耦合WPT系統的耦合機構，二者的固有諧振頻率一致。發射端高頻交流電頻率和耦合機構的固有諧振頻率一致時，可實現最大能量傳輸。接收端將接收到的磁能轉換為電能，經整流濾波和調壓后提供給用電設備。

圖1 磁耦合諧振式WPT系統框圖

由圖1 可以看出，從系統結構到其中的功率放大模塊、耦合機構等都和通信電子電路課程有著緊密的聯系，同時系統工作頻段也屬于課程研究的范疇。系統涉及電路理論、電磁場理論、通信電子電路等多門學科，可作為依托通信電子電路課程的專業性、綜合性實際案例，培養學生綜合運用專業知識分析和解決問題的能力，提升學生的創新實踐能力。

2 WPT技術中的通信電子電路相關問題

2.1 電能傳輸機理

基于互感理論可將圖1 所示系統分為二線圈結構、三線圈結構和四線圈結構。以二線圈結構為例說明系統電能傳輸原理，等效電路如圖2 所示。圖2 中L1和C1為發射端線圈的等效電感、電容，L2、和C2為接收端線圈等效電感、電容。電源Us將電能供給發射線圈，當其頻率恰好等于線圈固有諧振頻率時，線圈諧振。由于接收線圈的參數與發射線圈一致，接收線圈也發生諧振，此時可通過線圈間的互感耦合實現電能由發送端傳輸到接收端。

圖2 二線圈無線電能傳輸的互感耦合等效電路

2.2 耦合機構

耦合機構是磁耦合諧振式WPT系統的核心模塊，其原理可由雙調諧選頻網絡類比，不同的耦合因數A和不同頻率對應的S21參數如圖3 所示。可通過調整收發線圈間的距離調整耦合因數A，根據耦合因數的不同將收發線圈之間的耦合分為弱耦合、臨界耦合和強耦合三種狀態。教學過程中通過對該部分電路仿真或搭建實體電路，加深對雙調諧選頻網絡中互感耦合概念的理解，同時使學生明確該種電路在實際工程中的應用。

圖3 S21參數與耦合因數及工作頻率之間的關系

2.3 高頻功率放大器

由圖1可見，功率放大器處于耦合機構前端，將電能傳輸到電能發射線圈，其效率直接影響整個無線電能傳輸系統的電能傳輸效率。高頻功率放大器主要包括C 類、D 類和E 類，D 類和E 類功率放大器為開關類功率放大器，可達到較高的傳輸效率。E 類功率放大器的理論電能傳輸效率可以達到100%，電路結構如圖4所示。功率管的集電極并接一個電容C1，利用C1上電壓的惰性，使集射極間電壓在功率管導通和截止時延緩變化，實現對功率管的開關要求。圖中L2、C2構成高品質因數的串聯諧振網絡，L1為集電極扼流圈，保證電流ICC恒定，C0為功率管的輸出電容。選取適當的負載網絡參數，可實現當開關導通（或斷開）的瞬間，只有當器件的電壓（或電流）降為零后，才能導通（或斷開）。

圖4 E類功率放大器原理電路

結合無線電能傳輸平臺，實現對接收端的小功率供電，設計相應工作頻段的高效率E 類功率放大器，使學生學會從工程實際出發設計實用電路的指標，同時掌握功率放大電路的設計方法和步驟。

3 智能小車無線充電案例設計

3.1 系統構成

設計智能小車無線充電案例，要求對智能小車車載電池充電1分鐘，之后自動停止充電，系統構成如圖5 所示。由圖5 可以看出，智能車用無線充電系統包括無線充電模塊、儲能模塊、驅動模塊、控制模塊等。

圖5 智能小車無線充電系統結構框圖

系統采用集成的電容組作為儲能器件，由5個具有不同電容值及耐壓值的電容組成。發射端采用如圖4 所示的E 類功率放大器，由STM32 中內置的定時器輸出PWM 波，并合理設置死區時間以防止功率放大電路短路。調用另一個定時器，設置充電時間為1分鐘，1 分鐘后停止充電，此時PWM 波輸出均為低電平，發送端停止工作。無線充電模塊的耦合機構為一對互感耦合線圈，等效電路如圖2 所示，諧振頻率為640kHz。控制部分的主要作用是控制充電時間以及控制驅動馬達的運轉，可選用低功耗單片機STM32，通過外接晶振提供穩定的工作頻率以實現精確地控制充電時間。同時STM32 最小系統單元的自帶ADC模塊可以持續地檢測電容兩端的電壓，檢測到壓降后即控制開關電路驅動馬達運轉。

3.2 系統測試

將充電裝置和智能小車放置在水平地面上，充電一分鐘后由定時器控制充電停止，檢測到充電停止后，小車自動開始向前行進。由示波器測得STM32中I/O口發出的PWM波如圖6所示，可以看出該PWM波設有合理的死區時間，可有效防止電路發生短路現象。

圖6 STM32輸出的PWM波

圖7 （a）所示為充電電壓隨充電電流頻率變化的關系曲線，當頻率遠離耦合機構的諧振頻率640kHz時，負載回路失諧，能量傳輸效率降低，接收端獲得的能量減少。圖7（b）所示為充電效率隨收發端距離變化的關系曲線，可以看出當收發線圈距離小于4厘米時，充電效率幾乎沒有變化；距離大于4厘米時，隨著耦合機構中耦合系數的減小，充電效率急劇下降。可見圖7所示曲線與圖3理論分析的結果一致。基于圖7所示曲線的變化規律，在小車充電過程中，必須選擇合適的充電頻率和充電距離以保證電能高效地傳輸至接收端。

圖7 充電電壓和效率的測量結果

3.3 案例實施

2019 年春季學期，課程團隊在2017 級通信專業的1個教學班引入“無線電能傳輸系統”案例，將此案例作為通信電子電路系統型拓展案例。教師通過實驗視頻、實物演示使學生形成對無線電能傳輸技術的整體認識，之后對案例做總體分析。在此基礎上，將學生分成3～5 名學生組成的小組針對案例展開仿真分析及討論，每名學生獨立負責系統中的一個模塊。學生通過自主設計并仿真該系統中整流、濾波、功率放大、耦合、信號發生等獨立單元模塊，可以更好地將課程所學的基本理論應用于實踐。組員獨立完成單元模塊設計、仿真后，各小組探討系統關鍵參數對系統傳輸效率和輸出功率等性能指標的影響，并進行聯合仿真。最后各組以總結報告、結果展示和課堂答辯的形式展示成果，實現小組間的取長補短和共同提升。

課后學生反映：通過該案例有助于了解學科的科技前沿，自然地建立系統概念，同時更好地理解系統所涉及的獨立功能電路，拉近了理論和實踐的距離。教學實踐表明，課程配套的綜合實驗中，該課堂學生在通信電子電路系統搭建過程中更為順利，分析解決問題和排查故障的能力更強。

4 結束語

無線電能傳輸技術具有安全、方便、非接觸等優點，是目前研究的熱點，并且構成無線電能傳輸系統的單元電路和通信電子電路課程基本理論有緊密聯系。本文設計的“智能小車無線充電”案例，將課堂所學的基本理論與學科前沿應用緊密結合，使學生明確認識到課程所學在實際中的具體應用，深化學生對基本理論的認識和理解，進而以該案例新穎的應用背景激發學生的創新思維并提升學生分析和解決問題的能力。