无线电能传输装置的硬件设计毕业论文.docx
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无线电能传输装置的硬件设计毕业论文
无线电能传输装置的硬件设计毕业论文
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。
大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。
这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。
例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性[1]，且会缩短设备的寿命。
在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。
在水下，导线直接接触供电还有电击的危险[2-4]。
这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。
无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等范围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输[5]。
实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。
电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响。
下面将阐述无线电能传输的各种优点：
方便性：
现在的电子数码产品发展迅速，相信每个人出门都会带上一堆数码产品，MP3、MP4、相机、手机等等。
但是问题也来了，每个数码设备都要配备一个充电器和数据线，不仅携带不方便，而且乱糟糟的线容易弄乱，还会影响旅行的心情。
如果有了无线电能传输，出门时只需携带一个充电座垫作为电能接收装置，就可以对不同设备进行充电，因为当无线电能传输技术普及了之后，无论哪里都会有无线电能的发射端口。
这样是不是方便很多呢？
通用性：
现在的电子产品充电供电由于存在不同品牌、不同接口充电器不兼容的问题，需要携带各种杂乱的电源适配器和数据线。
无线供电技术一旦普及,这个问题就能得到很好的解决。
消费者只需携带一个小小的充电器垫，甚至酒店、餐馆等地已为客人准备好充电器垫，将可一举解决令人头疼的充电器不兼容问题。
美观性：
如今，无论在哪里，一团团或者一条条的电线随处可见，本来精致的墙纸配上一部高档的液晶电视是再美不过了，但因为几条电缆就破坏了整体的美观。
还有摆设整齐的桌上碍眼的几根数据线，幽美的公园里出现的输电线缆，都大大破坏了事物的美感。
若无线电能技术的到发展和普及，这样的情况就会大大减少，我们的周围会增添不少美丽。
应急性：
在沙漠、海岛、北冰洋和偏僻的山村等缺乏或无法连接输电线的地方，无线供电也能发挥巨大作用。
另外，还可解决传统供电中的一些特殊问题，例如，美国的研究者曾设想在高速公路的沿线设立各种微波发射台,为沿途的汽车提供不断的能源供应，加拿大等国也开始尝试用电磁辐射式无线供电的无人机作为电视转播台。
因此，在将来，无线供电还可成为一种特殊、紧急的供电方法。
安全性：
相信每个人都有这样的经历，插拔插头时冒出电弧，这样是十分不安全的，还会引起充电头的老化和损坏。
无线供电就可已避免经常性的插拔插头引起的插头损坏、接触不良等安全问题；电子设备的外壳上可省去金属接点和电气开口,可消除接触可能产生的电火花,从而避免电火花可能引发的爆炸；同时电子产品的防水性及密封性将进一步增强。
着在医疗仪器方面也将带来益处，因为电池供电的医疗设备的防水性能将得到提高,且更易于消毒.
1.2无线电能传输方式
根据传输原理的不同，无线电能传输方式可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。
1.2.1电磁感应式
电磁感应式电能传输的基本特征就是原副边电路分离。
原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。
图1-1是电磁感应式无线传能系统的原理框图。
原边线圈中的高频交流在整流滤波以获得直流电能之后，工频交流电源通过高频逆变器实现逆变。
经过逆变产生的高频交变电流，注入一次侧的原边线圈。
原边线圈中的高频交流电所产生的磁链Φ，与二次侧的副边线圈交链，进而产生了感应电动势。
通过高频整流以及直流斩波等调节电路之后，该感应电动势即可向负载提供适当参数的直流电[6]。
图1-1电磁感应式无线传能系统的原理框图
电磁感应式系统主要由以下3部分组成：
①能量发射装置②可分离变压器③能量接收装置。
其中，可分离变压器是关键。
它对实现大气隙下的能量在原、副边线圈之间高效传输，起了决定性作用。
优质的可分离变压器，必须具备漏感小，耦合系数高等特点[7]。
电磁感应式系统由以下特点：
①存在较大气隙，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；②较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；③传输距离较短，多用在mm级。
1.2.2磁耦合谐振式
磁耦合谐振式（又称WiTricity技术）是由麻省理工学院物理系、电子工程系、计算机科学系，以及军事纳米技术研究所的研究人员提出的。
系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。
这种传输方式的特点是：
利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性；中等距离传输，传输效率高；能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响；传输效果与频率及天线尺寸关系密切。
1.2.3电磁波辐射式
电磁辐射方式，即先利用天线将微波发射到空间，再由接收天线接收的能量传输方式。
其原理类似于早期使用的矿石收音机。
发射端使用微波功率源将直流电转化为微波能量，空间中的微波能量通过整流天线转换为直流功率，为负载供电。
这种技术的关键，在于发射源、发射天线以及接收整流天线。
发射源需微波功率源，如磁控管、速调管和行波管，通过注入锁相技术，以实现频率锁定及相位锁定，从而获得更高的效率。
发射天线需具备高聚焦和定向的能力，有助于提高效率。
整流天线技术又是提高微波传输效率的另一关注点[8]。
这种传输方式的特点是：
①传输距离远，频率越高，传播的能量越大。
在大气中能量传递的损耗很小，能量传输不受地球引力差的影响；②微波是波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波，容易对通信产生干扰；③能量束难以集中，能量散射损耗大。
1.3无线电能传输国内外研究现状
19世纪30年代，迈克尔·法拉第提出电磁感应定律，即穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中会有电流产生。
19世纪90年代，被称为无线电能传输之父的尼古拉·特斯拉第一次提出无线电能传输的构想，并于1899年演示了无导线的高频电流电动机，但出于效率与安全的考虑，这一技术就此搁置[9]。
20世纪20年代，日本的H.Yagi和S.Uda发明了八本·宇田天线，可用于无线电能传输的定向。
20世纪60年代，雷声公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）设计了一种半波电偶极子半导体二极管整流天线，此天线效率高且结构简单，由此完成了32.45GHz微电波驱动直升机的实验[10-11]。
后来，他又进行了室内微波能量传输实验，实现了90%的微波-直流能量转换效率。
自Brown的实验成功以后，无线电能传输技术引起了广泛的关注。
1968年，PeterGlaster提出通过构建太空太阳能为地球无线传输能源的设想。
1975年，在美国宇航员的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5a计划。
近几年，无线电能传输技术的发展更为迅猛。
2007年，美国麻省理工学院的马林·索尔贾西克（MarinSoljacic）等人在无线电能传输方面取得新进展，他们用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60w的灯泡[10-11]。
2009年，TI和Fulton（eCoupled技术）公司合作开发用于控制非接触式充电的电源芯片。
2011年，在东京举行的安防用品会展上，松下集团推出了一款无线充电的太阳能电池板。
2012年，Lockheed Martin公司研发出激光无线充电系统。
无线能量传输技术在国内的起步较晚。
1994年，电子科技大学的林为干院士第一次将微波输能技术引入到国内。
之后，中科院电工所进行了相关的理论研究。
1998年，上海大学利用微波输能实现了对管道机器人的供能。
2001年，西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在感应电机机车上应用的可行性的文章。
同年，重庆大学孙跃教授开始对无线电能传输技术的研究，且重庆大学与新西兰奥克大学展开了合作，进行更深层次的学术交流。
2003年，重庆大学郑小林、皮喜田等对无线电能传输用于体内诊疗装置进行了研究。
2007年，孙跃教授研制出了感应耦合无线输电装置，可同时向多个设备实现600到1000W的电能传输，效率高达70%。
2009年四川大学使用平面天线和接收整流阵列，实现200m的长距离无线电能输送实验[12]。
2013年3月中科院上海微系统所实现了0.6m距离的磁共振耦合能量传输，效率达50%。
随着技术的成熟与进步，越来越多的科研机构及高校开始了关于无线电能传输技术的研究。
研究进一步深入，研究领域也逐渐扩大。
1.4本文主要研究内容
本文介绍了重点研究的是无线电能传输装置的硬件设计，设计了一种可以实现无线电能传输的方案，并对它的优化改进做了详细的对比实验探究。
具体章节安排如下：
第一章概述了无线电能传输的研究现状以及发展前景。
第二章对磁耦合无线电能传输的原理进行了分析。
第三章对磁耦合谐振式无线电能传输装置的硬件设计做了详细介绍，设计了驱动电路、整流接收电路、辅助电源电路等，并附上原理图及实物图。
第四章通过对比实验的方法，研究了发射及接收线圈参数相同时，传输距
离与线圈匝数、线圈直径、线圈线径径、电容大小之间的关系，以及传输效率与以上参数的关系。
并通过对实验数据以及实验图表的分析，提出一些提高传输距离和传输效率的方法。
第五章对全文进行总结，并本文尚未解决的问题进行了展望。
第2章磁耦合谐振式无线电能传输原理
2.1传输原理
图2.1为磁耦合谐振式无线电能传输系统的框图。
该系统主要是由能量发射端及能量接收端组成。
能量发射端以直流作为功率输入，经过逆变后形成了高频激励源，使与之直接相连的源线圈产生谐振，且在源线圈的周围形成了交变磁场。
发射线圈通过感应源线圈的交变磁场与之形成共振。
这样，能量就通过源线圈传送到发射线圈，再经发射线圈传递出去。
能量接收端有两个线圈，分别是接收线圈和负载线圈。
接收线圈在收到发射线圈传递过来的能量后，再传送给负载线圈。
负载线圈之后连接能量变换电路，使高频交流功率转换成直流功率，供给后面的用电负载使用[13]。
图2-1磁耦合谐振式无线传能系统框图
2.2磁耦合
一个线圈的电流变化在相邻的线圈产生感应电动势,它们在电的方面彼此独立,之间的相互影响是靠磁场将其联系起来的,这种现象称为磁耦合。
能量传输的效率和传输的距离主要取决于耦合的效率。
自感磁通链和互感磁通链两部分相加即是耦合线圈中的磁通链，耦合线圈的磁通链与施感电流呈线性关系，是各施感电流的磁通链叠加得到的结果。
若两个耦合电感，L1和L2中有变动电流，各电感中的磁通链将会随着电流变化而变化[14]。
设耦合电感L1和L2的电压和电流，分别为
、
和
、
，且方向都为关联参考方向，互感是M，则两个耦合电感的电压、电流的关系为：
（2-1）
耦合系数定量地描述了两个耦合线圈的耦合紧疏程度，用k表示，有
（2-2）
k的大小，与两个线圈的相互位置、结构以及周围的磁介质有关系。
调整或改变他们的相互位置，可以改变耦合因数的大小；当L1和L2一定，也就相应改变了互感M的大小。
2.3电磁感应定律
在磁耦合无线电能传输系统中，线圈之间的耦合在电磁感应原理的基础之上。
法拉第电磁感应定律。
即当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电动势，产生的电流称为感应电流。
且感应电动势的大小与穿过磁通量的变化率成正比。
2.4谐振频率
谐振频率是磁耦合谐振无线电能传输系统中的一个非常重要的指标。
提高线圈的谐振频率，增大谐振线圈之间的互感，减小谐振线圈的内阻，是提高系统传输能效的关键举措[15]。
但因为趋肤效应，提高谐振频率会使增大线圈内阻，因此，谐振频率并不是越大越好。
怎样选取谐振振频率，使系统的传输能效达到最大，是磁耦合无线电能传输系统下一步需要解决的问题
第3章磁耦合谐振式无线电能传输装置的硬件设计
3.1传输装置方案整体设计
3.1.1整体方案设计
系统由发射装置电路、接收装置电路、单片机控制部分、驱动电路、辅助电源电路和整流电路组成，如图3-1所示。
主电路输入直流电压，电能通过发射装置发射出去，接收装置接收后通过整流电路将电能提供给负载。
控制电路由单片机控制系统组成，单片机产生PWM信号，控制开关管的导通和截止。
单片机可通过按键来进行调节频率，寻找谐振点，且通过A/D对输入电流进行采样，并通过液晶屏显示当前的工作频率、输入电流、PWM波占空比等。
图3-1系统整体框图
3.1.2发射模块
发射模块主要功能是将输入的直流电流进行逆变，成为高频交流电，再通过LC谐振将电能发射出去。
当设计发射电路时，有以下几种方案：
方案一：
采用桥式串联谐振电路，电路由直流电源Vcc、四个开关管以及串联LC谐振网络组成。
其原理图如图3-2所示。
图3-2桥式串联谐振电路原理图
电路正常工作时需要两个相位相反的驱动脉冲分别控制两组开关管。
T1和T4开关管由一个驱动脉冲控制，T2和T3开关管由另一个驱动脉冲来控制。
此设计电源利用效率高，但是采用四个开关管，结构复杂，体积较大，成本较高，控制复杂而且驱动电路复杂，导通损耗也相对较大。
并且不能出现同一桥臂的开关管同时导通，因此对同一组开关管参数的一致性要求高。
方案二：
采用D类功率放大电路发射，其电路原理图如图3-3所示。
图3-3D类串联谐振电路原理图
T1和T2为两个参数相同的开关管，L和C为输出端的串联谐振回路。
加在开关管上的驱动信号相差180°，驱动信号采用矩形波，因为其激励效率更高。
半桥发射电路由于只需要两个开关管，体积相对较小、结构简单并且控制较容易。
而且输出功率也不会太低。
比较上述两种方案，综合考虑实验条件和可能性，方案二更简便，更易实现，较符合实际情况。
因此，选择方案二。
如图3-4为发射电路的初步设计方案。
图3-4发射电路原理图
电路中，加在开关管上的驱动信号为互补的方波，为防止两管同时导通，两方波之间加有死区时间。
当T1管闭合时，T2管断开，选频网络及负载上的电压为电源电压Vcc减去T1管的饱和压降；当T1管断开，T2管闭合时，选频网络及负载上的电压为T2管的饱和压降。
由于输出回路的选频作用，输出电压就是正弦波的电压，频率为驱动信号的基频[16]。
当开关频率调节到与谐振频率相差不多时，LC串联回路发生谐振。
3.1.3整流接收模块
方案一：
单向半波整流电路，半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、下半周的整流方法。
方案二：
单向全波整流就是对交流电的正、负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电的负半周也变成正半周
方案三：
桥式全波整流利用四个二极管，两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通。
桥式全波整流电源利用率高，输出的直流电压较高.输出电压脉动小，正负半周均有电流流过[17]，所以采用桥式全波整流电路的效率相比其他两种电路最高，在体积相同的情况下，功率容量最高，因此其总体性能优于单向半波和单向全波整流电路。
所以该系统采用桥式全波整流。
3.2传输装置的硬件线路设计
如图3-5为发射与接收电路原理图。
L1、L2和C1、C2分别为参数相同的线圈和谐振电容。
图3-5发射与接收电路原理图
由公式
（3-1）
可以算出谐振频率的理论值，据经验，与实际值差别不会太大。
3.2.1线圈设计
在无线电能传输装置中，线圈是一个非常重要的部分。
线圈设计的好坏直接关系到装置的性能与质量。
因此首先确定自制电感的线圈结构。
线圈结构主要有平面螺旋型和空心圆饼型。
实验中分别采用了圆饼-圆饼型、螺旋-圆饼型、螺旋-螺旋型三种不同线圈形式。
发现三种情况传输效率基本相同，圆饼-圆饼型传输效率略高。
而且圆饼型线圈制作简单，螺旋型线圈制作耗时费力，最后系统采用圆饼-圆饼型电路
3.2.2驱动电路设计
如图3-6所示为驱动电路原理图。
驱动芯片采用IR2110，IR2110栅极驱动电压范围10~20V,输出短路电流2A/2A。
该芯片输出电流较大，驱动能力较强。
IR2110的输入为单片机的控制信号，其输出信号直接控制开关管。
Q1和Q2为两个参数相同的开关管，加在开关管上的驱动信号为互补的方波，为防止两管同时导通，两方波之间加有死区时间。
当Q1管闭合时，Q2管断开，选频网络及负载上的电压为电源电压Vcc减去Q1管的饱和压降；当Q1管断开，Q2管闭合时，选频网络及负载上的电压为Q2管的饱和压降。
功率场效应晶体管（powerMOSFET）具有开关速度快、低导通阻抗、驱动
图3-6驱动电路原理图
电路简单和和所需驱动功率小的优点，故选此作为开关管。
在这里选用75N75，它的开关速度快，内阻较小（ON）=12.5mΩ。
如图3-7为驱动电路实物图
图3-7驱动电路实物图
3.2.3整流接收电路设计
由上文分析，整流接收电路采用桥式整流，其电路图如图3-8所示。
图3-8桥式全波整流电路
在桥式整流电路中，采用1N5822二极管。
它具有正向导通电压低（0.52V），，大电流承受能力等特点，最重要的是它有很高的开关速度，可以满足此装置的高频要求。
它在市场上较为常见，关注度很高。
接收线圈的高频交流电流经过1N5822整流后，就变成了直流电流，供给负载使用如图3-9为整流接收电路实物图。
中间部分是四只二极管整流，左侧连的是接收线圈和谐振电容，即接收部分的L和C。
右侧连一个滤波电容后与负载相连，中间的开关可以切换用来选择电阻和LED灯。
图3-9整流接收电路实物图
3.2.4辅助电源电路设计
辅助电源电路如图3-10所示。
辅助电源需将15V电压转换为5V和3.3V的电源信号，在此采用芯片LM2576和AMS1117各一片。
通过调节电位器女R1的大小，可改变输出电压值，调节电位器产生5V电压。
输入5V电压，通过AMS1117芯片，可固定输出3.3V。
图3.10辅助电源电路
如图3-11为辅助电源电路实物图。
输出3.3V
图3-11辅助电源电路实物
3.2.5单片机控制回路设计
单片机控制回路的功能如下：
1.提供主回路MOSFET控制信号的输出，通过产生PWM信号，控制开关管的导通和截止。
但是为保障两个开关管不会同时导通，需设置死区时间。
2.通过按键来进行调节频率，寻找谐振点3.通过A/D对输入电流进行采样，并通过液晶屏显示当前的工作频率、输入电流PWM波占空比等。
此设计采用32位k60单片机最小系统。
K60单片机处理速度快，处理能力强，且各个模块的程序库比较完善，使用方便。
单片机使用15MHz的晶振，完全满足实验需要。
3.3本章小结
本章先阐述了磁耦合无线电能传输系统的整体设计，接着比较详细的介绍了磁耦合无线电能传输系统的硬件设计，主要有驱动电路、接收整流电路、辅助电源电路、单片机控制回路。
并且给出了具体的原理图、实物图及元器件的选择分析。
第4章磁耦合谐振式无线电能传输装置优化改进
4.1研究实验总体介绍
在这个研究实验中，主要对磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输距离和传输效率展开研究，最后达到提升传输距离与传输效率的目标，改进装置。
在此系统中，能量是通过发射线圈和接收线圈的耦合进行传输，在传输过程中，两线圈之间耦合的效率决定了传输效率，同时也决定了传输距离的大小。
谐振频率是非常重要的一个指标。
谐振频率的大小取决于L和C，即电感和电容的大小。
而
[18,19]（4-1）
其中μ0是真空中的磁导率，a是线圈的线径，R为线圈的半径，N为线圈匝数。
可见线圈的电感大小由线径、半径、匝数决定。
因此，本研究采用对比实验的方法，分别研究发射及接收线圈参数相同时，传输距离与线圈匝数、线圈直径、线圈线径、电容大小之间的关系，以及传输效率与以上参数的关系。
如图4-1为实验装置的简图。
图4-1实验装置简图
Uo为由稳压电源提供的15v电源电压，Cs、Ls、Ct、Lt分别为发射线圈及接收线圈的谐振电容和电感，末端负载根据实验需要接电阻R或小灯泡。
如图4-2为实验装置实物图。
可以看到左侧的小灯泡发出了耀眼的光。
图4-2实验装置实物图
如图4-3为实验过程中的实测波形图。
图a为单片机输出的两列互补PWM波，图b为谐振产生时发射线圈两端的电压波形。
此时PWM波的占空比为30%和70%。
可以看到谐振时线圈两端是标准的正弦波。
（a）
（b）
图4-3实验实测波形
4.2传输距离特性实验
据磁耦合谐振式无线电能的传输原理，影响电能传输距离的最直接因素是系统的谐振频率，提高谐振频率可增大电流的变化率，使发射的磁场变强，传输距离变远。
而谐振频率又与线圈电感大小和谐振电容的大小有关，同时，线圈的匝数、直径和线径又决定线圈的电感大小。
4.2.1线圈匝数对传输距离的影响
由式（4-1）可知，线圈的电感大小与线圈匝数的平方成正比。
所以线圈匝数会大大影响参数L，从而影响传输距离。
表4.1列出了实验所用的线圈和电容的参数。
三组线圈除了线圈匝数不同，其它都相同。
表4-1线圈及电容参数
线圈编号
线圈线径（mm）
线圈直径（cm）
线圈匝数
电感（μH）
谐振电容（nF）
谐振频率（kHz）
1
2.1
40
4
25.3
100
100.1
2
2.1
40
3
14.2
100
133.4
3
2.1
40
2
6.27
100
200.9
当负载接100欧姆的电阻，分别测量三组线圈在不同传输距离的接收端电压，数据如下表4-2。
表4-2不同线圈匝数距离特性实验数据
线圈1
线圈2
线圈3
传输距离/cm
接收端电压/V
传输距离/cm
接收端电压/V
传输距离/cm
接收端电压/V
3
28.2
3
20.4
3
16.2
5
55.3
5
47.2
5
42.0
7
31
7
35.1
7
34.1
10
26.5
10
28.0
10
30.3
15
20.7
15
24.3
15
27.4
20
15.3
20
20.6
20
24.5
22
12.2
22
15.9
22
19.8
25
10.1
25
12.8
25
17.6
根据以上数据，画出曲线如图4-4。
由曲线可以看出，三条曲线的变化趋势大致相同，随着传输距离的变大，接收端电压先变大后变小。
匝数多的大电感线圈，曲线上升速度缓慢，达到的最高电压小，曲线的衰减速度缓慢。
由此可以得出，在谐振电容及线圈其他参数相同时，匝数小的大电感线圈在近距离时可传输较大的能量，但由于远距离时衰减较快，所以远距离时匝数多的大电感线圈能传输较大能量。
匝数越多，传输距离越远。
图4-4不同线圈匝数距离特性曲线
当接收端负载接2只串联LED灯（白色、1W），在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈。
测量LED完全熄灭的距离即为最远亮灯距离x。
通过单片机控制调节，缓缓增加两线圈距离，当LED灯熄灭时，测量三组线圈此时的距离分别为为45
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