基于单片机控制无线充电系统的研究与设计毕业论文Word文档格式.docx
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（2）可以控制电池充电，保证充电非常、安全。
当然，能从无线充电技术中受益的远不止消费和通信电子。
举例来说，新兴的无线传感器网络就会成为了一个极大的受益者。
无线传感器网络可以多角度、实时、无人值守的监控被测对象，但给众多的传感器节点补充电能一直是一个非常棘手的问题。
很多的节点可能已经嵌入到建筑中，取出充电几乎成了不可能的事情。
可如果使用无线充电技术的话，这个问题就会迎刃而解。
只要将能量发送模块放置在无线传感器网络的覆盖范围内，充电就会自动完成。
不过，无线充电技术也会促使电子产品发生变化，传统的电源管理部分将会产生一定的变化，面对电子产品的功耗要求也愈发严格，因为通过无线传输的能量毕竟还是受限的。
2.生物医学上的应用
随着科技的发展和进步，科学家逐渐研制出各种电子设备来弥补人身体的缺陷，例如：
人造器官，肾脏，肝脏，心脏；
对下肢麻痹的人进行肌肉刺激，刺激神经系统来控制帕金森症，助听器，心脏起搏器等等。
所有这些系统的共同点，就是需要由置于体外的电池组给移植在体内的设备进行供电。
完成这一供电可以有两种方式：
穿透皮肤（导线穿过皮肤连接电源和负载）和穿过皮肤（利用变压器作为无接触电能传输环节，皮肤没有损伤）。
这种无接触式电能传输大大改善了做移植手术病人的生活质量，因为这种方式更为舒适，而且没有污染的危险。
这些系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体内进行能量传递，开辟了新型的伤损性较小的医疗天地。
非接触电能传输系统在生物医学上应用的主要特点是可靠性要求高。
因为一半的电源通过外科手术植入人体内，如果出现问题，很难改变。
另一方面，移植本身必须始终正常工作，当初、次级之间的耦合发生变化时，变换器必须能提供足够的电压。
除了在小功率充电方面的应用，无线充电技术在大功率方面的应用也日渐出现。
功率开关器件和商性能磁性材料的诞生使得外关速度、大小及功率变换器的效率得到显著的改进，也使得非接触电能传输的功率远远超过了那些小型的像电动牙刷充电器类应用所需的传输功率。
目前，一些应用研究已在积极进行中。
非接触充电传递方式的显著优点是：
（1）没有裸露导体，其能量传递能力不受环境因素如尘土、污物、水等的影响。
比起电气连接来，更为可靠、耐用，不发生火花，不存在机械磨损和摩擦。
（2）采用高频技术，可大大降低系统的体重和体积，提高了功率密度和传输效率。
无线充电只需用一个发送端，就可以给多个用户终端同时充电；
可以制定统一的无线充电标准，这样就可以为所有符合这一标准制造的可充电电池用同一充电装置充电；
充电器的接收端可以内置到手机、笔记本电脑等移动通信工具内部，这些移动通信工具就可以在无线通信系统覆盖的可充电范围内自由自在随时在需要的时候充电。
这项技术还具有其他一系列好处，包括更好的便携性、更低的成本、通用性。
1.3无线充电技术分类及国内外现状
1.3.1无线充电技术的分类
无线充电技术可以分为四种类型，第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。
第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。
第三类是“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。
第四类则是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便，英特尔是这项方案的支持者。
1.电磁感应方式
我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。
我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈（初级线圈、次级线圈）组成；
当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。
如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。
这套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。
但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。
最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。
在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。
这种工作方式用在智能手机中完全可行，苹果公司、摩托罗拉公司、LG、松下和NTTDoCoMo都在开发各自的无线充电器。
理论上说，只要在充电座和手机中分别安装发射和接收电能的线圈，就能实现像电动牙刷一样的无节点充电。
由此，手机的充电方式可以变得更加灵活，接口也有望得到统一，提高用户使用的方便性。
2.电磁耦合共振方式
与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。
除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。
在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。
富士通公司在2010年对磁共振系统进行展示，在演示中它成功地在15厘米距离内点亮两个灯泡，具备良好的实用价值。
除了富士通外，长野日本无线、索尼、高通、WiTricity都采取这项技术来开发自己的无线充电方案，其中WiTricity的应用领域是为电动汽车无线充电。
3.电场耦合方式
日本村田制作所开发的“电场耦合”无线供电系统则属于少数派，隶属于这一体系的还包括日本的竹中工务店。
电场耦合方式与“电磁感应”及“磁共振”方式都不同，它的传输媒介不是磁场而是电场。
这套系统包括一个送电侧和受电侧，前者包括两组电极、一个振荡器、一个放大器和一套升压电路：
Passive电极主要起接地作用，Active电极则用于产生电场。
而振荡器的作用则是将输入的直流电转变为交流电，放大器和升压电路则负责提升电压。
例如接入为5V的适配器，经过振荡器、放大器和升压电路后就会产生一个1.5KV的高压电，驱使Active电极产生一个高压电场。
而受电侧也与此对应，接收电极感应到高压电场，再经过降压电路及整流电路后、就产生了设备能实际使用的直流电压。
目前，村田制作所已获得这种构造的技术专利。
相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：
充电时设备的位置具备一定的自由度；
电极可以做得很薄、更易于嵌入；
电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。
首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。
我们可以看到电场耦合与电磁感应的对比结果，电极或线圈间的错位用dz/D（中心点距离/直径）参数来表示，当该参数为0时，表示两者完全重合，此时能效处于最高状态。
当该参数为1时，表示两者完全不重合。
我们可以看到，此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入，设备依然是可以正常充电，而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降，错位超过0.5时就完全无法正常工作，因此，电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。
电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄，比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔，此外对材料的形状、材料也都不要求，透明电极、薄膜电极都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常规的形状。
这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中，这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。
显而易见，若采用电场耦合技术，智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度，不会在充电模块设计上遭受制肘。
第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术的一个难题就是充电时温度较高，会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化，进而影响电池的寿命。
电场耦合方式则不存在这种困扰，电极部分的温度并不会上升，因此在内部设计方面不必太刻意。
电极部分不发热主要得益于提高电压，如在充电时将电压提升到1.5kv左右，此时流过电极的电流强度只有区区数毫安，电极的发热量就可以控制得很理想。
不过美中不足的是，送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量，一般会导致内部温度提升10～20℃左右，但电路系统可以被配置在较远的位置上，以避免对内部电池产生影响。
村田制作所目前已经成功地开发出5瓦和10瓦充电的产品，并致力于实现小型化，制作所计划从今年开始向市场投放小型产品，未来则朝着50瓦、100瓦等大功率产品的方向前进。
4.微波谐振方式
英特尔公司是微波谐振方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。
这种方式就相当于我们常用的WiFi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。
微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。
微波谐振方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低得出奇，如英特尔的这套方案，供应电力低至1瓦以下，乍一看起来实用性相当有限。
而它的优点，则是位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最符合自然的一种充电方式。
我们可以看到，当设备收发双方完全重合时，电磁感应和微波谐振方式的能量效率都达到峰值，但电磁感应明显优胜。
不过随着X-Y方向发生位移，电磁感应方式出现快速的衰减，而微波谐振则要平缓得多，即便位移较大也具有相当的可用性。
1.3.2无线充电技术的历史及现状
19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才，尼古拉·
特斯拉（NikolaTesla，1856—1943）在无线电技术何其他电气方面作出了杰出的贡献。
1881他年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；
1888年他发明多相交流传输及配电系统；
1889—1890年制成赫兹振荡器；
1891年他发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。
他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展。
1901—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。
2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。
其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。
2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。
此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。
2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·
索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。
他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。
这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月，北美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。
以上的一些应研究似乎与我们生活无多少关系，那么我们最能深切感受到的就是有机无线充电器。
Palm在09年针对手机推出的点金石充电系统就属于无线充电技术的一种，用户只需要将手机放在点金石上，充电就会自动开始，无需连接任何线路。
而诺基亚Lumia920、LGNexus4、HTCDroidDNA等这些新一代智能手机也都支持无线充电这一神奇的功能:
使用者只需将手机的背盖放置在无线充电底座上，即可进行充电。
当然，无线充电技术并不仅仅是智能手机领域，如笔记本电脑方面也将是它的舞台。
戴尔是最早推出支持无线充电产品的厂商，它早在2009年就推出了配备了无线充电功能模块的LatitudeZ600，成为全球首款支持无线充电的笔记本电脑：
通过无线坞站的扩充，可以为这款机器提供60W功率的供电，5小时左右即可将这款产品的电池充满。
1.4本文主要研究内容
无线充电效率不高，其主要原因是无线电力传输过程中能量散失过多，本文主要研究影响无线电力传输效率的几点因素一一谐振补偿方式、线圈距离、线圈尺寸，并且探讨如何最大可能提高无线电力传输的效率。
同时本文中还设计了一款无线充电装置，用来给装在一个智能小车上的两节串联的锂电池进行无线充电。
本文第一章简单介绍了无线电力传输技术的研究现状和现实应用。
第二章介绍了无线充电中的关键技术无线电力传输的原理。
第三章用实验验证了谐振补偿方式、线圈距离、线圈尺寸、补偿电容值、频率几个因素对无线电力传输效率的影响，为设计无线充电器的无线电力传输部分提供了标准。
第四章设计了一款给两节串联锂电池充电的智能无线充电器。
第二章无线电力传输原理
2.1电磁感应原理
1831年8月29日法拉第首次发现，处在随时间变化的电流附近的闭合回路中有感应电流产生。
若将一根磁铁插入一个闭合线圈，或者从线圈中抽出，或者磁铁不动，线圈靠近或者远离磁铁时，线圈中会产生电流。
此外，法拉第还做了一些诸如闭合线圈在磁场中转动，闭合回路中某一段导线在磁场内运动等一系列的实验，也都发现回路中有电流。
在电磁学中我们都知道当穿过一个闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时，不管这种变化是由于什么原因引起的，回路中就有电流。
这种现象叫做电磁感应现象。
电磁感应现象就是无线电力传输的理论基础。
电磁感应定律可表述为：
当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率额负值，即：
（2-1）
在国际单位制中，εi的单位为伏特，Φ的单位为韦伯，t的单位为秒。
应当指出，式（2-1）中的Φ是穿过回路所围面积的磁通量。
如果回路是由N匝密绕线圈组成的，而穿过每匝线圈的磁通量都等于Φ，那么通过N匝密绕线圈的磁通匝数则为Ψ=NΦ,Ψ也叫做磁链。
对此，电磁感应定律就可写成[1]：
（2-2）
2.2基于近场磁感应无线电力传输原理
根据电磁感应定律，发现交变电流能够产生交变磁场，磁场是能够在空气中穿过，交变的磁场又能感应出电流，那么就可以利用这一点来进行非接触式供电，也就是无线电力传输。
本节从理论上分析平面线圈的电磁场分布情况。
以为无线充电系统的设计提供理论依据。
基于电磁场基本原理和磁场的叠加性，分析平面线圈电磁场的分布情况。
根据毕奥一萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为：
（2-3）
首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。
设圆线圈的中心为0，半径为R，载有电流I。
如图2.1所示。
图2.1单个线圈磁场分布
在圆线圈上任取一电流元
，设电流元到P点的矢径为
，由于
与
垂直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元
在P点产生的磁感应强度为：
（2-4）
其中，
在
与轴线所在的平面内，并垂直于
。
显然，线圈上各电流元在P点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把
分成垂直于轴线的分矢量
上和平行于轴线的分矢量
由于对称关系，
互相抵消，而
互相加强，所以：
（2-5）
（2-6）
令
，那么
（2-7）
函数
有两个拐点，它们位于
处，即线圈轴线上的磁感应强度在线圈平面内，两边距线圈中心R/2处。
将另一个结构完全相同的线圈平行共轴放置，通以相同的同方向电流，那么两个线圈产生的磁场在轴线上将叠加。
随着两线圈的距离不同，合成磁场在轴线的分布将不同。
然而，无论线圈距离为何，对于两线圈中心点0来说，磁场呈对称分布，故有B（x）=B（-x），将B（x）围绕x=0作泰勒级数展开：
（2-8）
由于B（x）=B（-x），即B是x的偶函数；
故奇次项系数
，
……都为零。
若选择线圈的距离为R，中心点0处恰为两个线圈磁场在轴线上的拐点重合处，则有
，那么B（x）=B（0）=O（x4）。
O（x4）代表x的四次方以及更高次幂的小量，所以，B（x）将沿中心轴线在相当大的范围内均匀。
当两个线圈的间距等于它们的半径时，中心点O附近沿轴向分布的磁场最均匀，这样放置的两线圈就称为亥姆霍兹线圈。
平面线圈按周长近似相等原则可简化为同心圆结构，简化后的线圈由n个单匝空心圆柱线圈组成，平面线圈的磁场可看成是n个单匝空心圆柱线圈产生磁场的叠加，周围空间磁场只具有径向和轴向分量，整个磁场具有对称性。
平面线圈的磁场对称分布这一特性，对于电磁能量耦合产生了两种有效结果。
由于磁场集中分布于两个平面线圈形成的柱形空间体内部，一方面能量集中分布，即实现近场能量耦合，漏磁小，根据能量守恒定律，磁能转化为电能，损失小，从而提高电磁转换效率；
另一方面降低电磁噪声，减少了电磁辐射。
近场磁感应式无线电力传输系统主要原理即电磁感应原理。
变压器也是基于此原理运行。
磁能在空间中以场的形式存在，在初级线圈上施加交变电压，线圈中产生交变电流，于是在周围空间产生交变磁通。
当次级线圈处于磁场范围内时，在线圈中产生交变电场，从而实现电能从初级线圈到次级线圈的传输。
为了提高效率，传统变压器的初级线圈和次级线圈通过铁心连在一起。
由于铁心采用高磁导材料，且使用环形结构，磁路闭合，因此互感很大，漏感极小，传输效率高。
如果将变压器的初级线圈和次级线圈分离，也就是初级线圈和次级线圈之间没有物理连接，仅仅隔着空气，这就是近场磁感应式无线电力传输系统的原型，如图2.2所示。
图2.2近场磁感应式无线电力传输系统的原型
无线供电系统要求发送线圈和接收线圈两部分组成。
系统工作时，首先将发送端电源提供的交/直流电通过谐振变换器或调频调制模块转换为高频交流信号，然后驱动发射线圈，使发射线圈在周围一定距离的空气范围产生磁场。
接收线圈位于这个电磁场中，发射线圈的磁通量的高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势。
2.3基于电磁耦合共振的无线电力传输原理
利用传统的电磁感应原理进行无线传输的技术已为人所熟知，并且在一些场合得到应用，然而利用这种方法，传输距离比较短，传输的功率也很小。
后来人们又发展了基于磁场耦合共振的无线电力传输理论。
基于磁场耦合共振的无线电力传输依然离不开电磁感应原理，仍然是将磁场作为传输介质，但是其实通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量。
利用这种方式进行能量传输，不但可以提高传输的功率与效率，同时可以将传输的距离提高到几米而不会受到空间障碍物的影响。
共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。
基于磁场谐振耦合的无线电力传输的理论基础是耦合模型理论（CMT）。
在耦合模型理论中，对于由两个物体1和2构成的共振系统，设两个物体的场幅值分别为
和
，在无激励源的情况时，对一个存在损耗的系统，系统满足方程[2]：
（2-9）
（2-10）
式中，
、
是各自的固有频率，
是固有损耗率，取决于物体的固有（吸收，辐射等）的损失，是耦合系数用矩阵形式表示即为:
（2-11）
对于共振系统，具有相同的共振频率，可以认为
，于是可求解得到B的特征值，即系统的固有频率：
（2-12）
可见，由于耦合的关系使系统的固有频率分开，之间的差别为2k。
假设t=0时，已知值
，且
，代入
，为简化计算，当
时，可以忽略损耗，求得在物体1、物体2中所含能量表达式为：
（2-13）
（2-14）
可见，两物体能量的交换最小损失发生在
这一时刻。
耦合系数k体现了系统的两物体之间传递能量的速率，当
时，在这一时刻，除了比较小的损耗外，能量比较理想地由物体1完全传递到物体2。
基于磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型如图2.2所示。
图2.3磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型
其中，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大，通过一个线圈将能量感应到发射装置中发射与接收装置实为两个具有相同结构的天线发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由发射装置源源不断传递到接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，两线圈应同轴。
第三章影响无线电力传输效率的因素分析
第二章节介绍了近场磁感应无线电力传输系统和磁耦合共振无线电力传输系统的原理，很明显
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