無線電能傳輸裝置

1、無線電能傳輸裝置摘要無線電能傳輸是目前被廣泛研究的一項具有重大意義的課題，本次設(shè)計利用LC磁耦合諧振電路進行無線電能傳輸，因磁耦合諧振技術(shù)作為中距離高效無線能量傳輸技術(shù)，與傳統(tǒng)無線能量傳輸技術(shù)相比具有傳輸效率高，條件要求低等明顯優(yōu)勢。本設(shè)計在互感原理和耦合理論的基礎(chǔ)上，進行了大量的實驗，研究了如何提高諧振無線傳輸?shù)男?。通過實驗，驗證了距離，線徑，線圈繞法等對傳輸效率的影響。本次設(shè)計的發(fā)射端，利用了TI公司提供的mps430產(chǎn)生PWM信號經(jīng)過非門轉(zhuǎn)換成兩路互補的pwm信號經(jīng)過光耦驅(qū)動全橋，將直流電壓逆變?yōu)榻涣?，進行LC諧振，將電能轉(zhuǎn)化為磁能輻射出去；接收端利用LC諧振接收發(fā)射端發(fā)出的磁能，在利

2、用整流技術(shù)將接收到的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，供負載使用，并具有較高的傳輸效率。關(guān)鍵詞：無線電能傳輸；LC磁耦合諧振；傳輸效率高；驅(qū)動全橋；整流技術(shù)。01 任務(wù) 設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖 要求 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（45分）（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間

3、距離x。（45分）（3）其他自主發(fā)揮（10分）2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2.1方案一 采取磁耦合感應(yīng)式電能傳輸磁耦合感應(yīng)式電能傳輸無線電能傳輸機理類似于可分離變壓器，氣隙部分代替了鐵芯，導(dǎo)致了磁力線沒有定向的通道和負載側(cè)的線圈相鉸鏈。因此只有在較短的距離下，才能實現(xiàn)較高頻率和較大功率的傳輸。當(dāng)距離增加后，傳輸效率急劇下降。該無線電能傳輸方式一般只有在小于傳輸線圈直徑的傳輸距離下，才能達到較高的效率和較大的功率。2.2 方案二 采用磁耦合諧振式無線電能傳輸 利用諧振原理，使得其在中等距離(傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍）傳輸時，仍能得到較高的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響【

4、6。相比于感應(yīng)式，該方法傳輸距離較遠；相比于輻射式，其對電磁環(huán)境的影響較小，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點，磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)玫皆絹碓蕉嗟难芯俊?綜上所述我們選擇方案二。利用LC磁耦合諧振原理進行無線電能的傳輸，其設(shè)計原理如下圖所示。發(fā)射部分 TLP25074HC04Mps430單片機發(fā)射線圈全橋逆變電路接收部分接收線圈 負載整流裝置3 方案論證3.1 基本結(jié)構(gòu)從能量傳輸?shù)挠^點出發(fā)，電能的傳輸至少需要兩個線圈。利用兩個諧振線圈進行無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，為MCRWPR的第一種基本拓撲結(jié)構(gòu)，稱為兩線圈結(jié)構(gòu)。另外在兩個諧振線圈的基礎(chǔ)上增加兩個感應(yīng)線圈，使電源線圈與發(fā)射線圈隔離，負載與接收線圈相隔離

5、，為MCRWPR的第二種基本拓撲結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)被稱作四線圈結(jié)構(gòu)。這兩種拓撲結(jié)構(gòu)的抽象模型如圖1所示。圖1為了有效的傳輸電能，發(fā)射線圈與接收線圈的自諧振頻率設(shè)置為同一頻率，即為系統(tǒng)的諧振頻率。根據(jù)題目要求我們決定采用兩線圈結(jié)構(gòu)。3.2 工作原理 從能量流動的觀點出發(fā)，分析兩線圈結(jié)構(gòu)MCRWPR的電能傳輸機理。電源給發(fā)電線圈供電，頻率為系統(tǒng)諧振頻率。此時發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因為發(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強的電磁場。發(fā)射線圈中電容的電場能因為諧振與電感線圈中的磁場能不斷地進行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場在接收線圈中感應(yīng)出電

6、流，因此能量傳送到接收端。在接收端，電容中的電場能和電感線圈中的磁場能不斷地進行能量交換，最終把能量傳遞給負載。3.3 參數(shù)計算 想要實現(xiàn)諧振，兩個LC網(wǎng)絡(luò)必須要有相同的參數(shù)，以保證網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)生諧振，并且要能找到合適的諧振頻率，只有在兩網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振時，能量才能以最大的效率傳遞。因此對于電路參數(shù)的計算十分的重要。本次實驗中，以電感量為定值，首先選取電感的參數(shù)，然后再根據(jù)諧振頻率來計算電容的大小諧振頻率： f=1/2LC···············

7、··············（式 1）電容值： C=1/(2f)2*L·························（式 2） 3.4線圈方案論證 根據(jù)資料顯示，不同的線圈對于磁耦合無線傳輸?shù)男视兄苤匾?/p>

8、的影響，因此在此次設(shè)計中，對于線圈的繞發(fā)對效率的影響做了較多的研究與實驗，的處理一下一系列結(jié)論。3.4.1 諧振頻率 在一切條件與參數(shù)均固定不變時，僅改變電源的頻率，得到實驗結(jié)果如圖（2）所示。接受功率的極值出現(xiàn)在f,f/2,f/3.處，其中f為裝置的固有頻率，即發(fā)射接收端的固有頻率。 圖（2） 圖（3）3.4.2 線圈距離 在保持其他條件不變的情況下改變發(fā)射線圈與接收線圈間的距離，發(fā)現(xiàn)并非離得越近傳輸效果越好。得到了如圖（3）所示的曲線，可見當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈保持一定距離是傳輸效果最理想。3.4.3 線徑 在其他條件不變的情況下，改變繞制線圈所用的導(dǎo)線線徑，發(fā)現(xiàn)其對接受效率有著明顯的影響，

9、通過實驗得出，發(fā)射端線徑大好，接收端線徑小好。3.4.4線圈形狀 在其他條件不變的情況下，對餅狀，環(huán)狀等多種形勢的線圈進行了測試，最終發(fā)現(xiàn)餅狀比較好。4 電路設(shè)計說明4.1 發(fā)射部分4.1.1 PWM輸出 本次設(shè)計采用TI的mps430作為控制中心，利用其產(chǎn)生逆變所需要的PWM信號，并顯示輸出的PWM頻率，利用外部按鍵實現(xiàn)步進，方便設(shè)備的調(diào)試。4.1.2 逆變及驅(qū)動 為了驅(qū)動LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振，必須要產(chǎn)生交流信號，此次設(shè)計利用電力電子中的逆變技術(shù)，將15V的直流電壓，變?yōu)?5V的方波交流電壓，然后去驅(qū)動LC網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)諧振。逆變及驅(qū)動電路圖如圖 驅(qū)動部分 逆變部分4.2 接收部分整流電路 利用

10、LC諧振網(wǎng)絡(luò)接收到的是高頻的交流電，而我們所要使用的負載卻為直流負載，如LED燈，因此利用整流電路將接收到的交流變?yōu)橹绷鳎菬o線電能傳輸中的一個重要環(huán)節(jié)，利用電力電子知識，我們設(shè)計如圖（4）所示的整流電路。 圖（4）整流電路5 測試結(jié)果及分析5.1 測試結(jié)果效率測量序號輸入電壓 Ui(V)輸入電流 Ii（A）輸出電壓 Uo(V)輸出電流 Io(A) 效率 （%）PWM頻率 （KHz） 1150.7550.480.005 0.03500 2150.7650.600.008 0.04500 3150.7650.80.10 0.70500 4150.7701.00.12 1.04500 5150.7

11、751.20.11 1.14500 6150.7951.30.10 1.09500LED顯示效果在負載為LED燈，輸入電壓15V,PWM頻率為500KHZ時，線圈距離從10cm開始增加到70cm的過程中可看到LED燈持續(xù)發(fā)光。5.2 數(shù)據(jù)分析經(jīng)過多次測量顯示，帶動LED燈發(fā)光的效果非常好，且距離可以達到很遠。但在用劃變?yōu)樨撦d時效果不太好，帶載能力比較差?？赡茉蚴墙邮漳芰亢蟮恼鳂蚶锏亩O管選型不好，開關(guān)頻率太低。 6 設(shè)計總結(jié) 通過從8月12號到15號的日夜奮戰(zhàn)，我們完成了一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置系統(tǒng)，系統(tǒng)部分達到試題要求，系統(tǒng)各個模塊的制作和選擇都是經(jīng)過詳細的計算，盡管在制作中精益

12、求精，但系統(tǒng)仍存在許多需要改善的地方。例如諧振頻率點的調(diào)節(jié)，造成系統(tǒng)誤差；軟件設(shè)計不夠完善，算法欠佳，精度不夠等。操作簡單是此系統(tǒng)一大優(yōu)點。7 參考文獻【1】 閻石 數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué).高等教育出版社.2006.【2】 童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué).高等教育出版社.2006.【3】 王兆安 劉進軍 電力電子技術(shù) 西安交通大學(xué) 機械工業(yè)出版社2009【4】 黨宏社.電路、電子技術(shù)實驗與電子實訓(xùn)M.電子工業(yè)出版社.2008.8目錄1 任務(wù)12系統(tǒng)總體方案設(shè)計12.1方案一 采取磁耦合感應(yīng)式電能傳輸12.2 方案二 采用磁耦合諧振式無線電能傳輸13 方案論證23.1 基本結(jié)構(gòu)23.2 工作原理33.3 參數(shù)計算43.4線圈方案論證44 電路設(shè)計說明54.1 發(fā)射部分54.1.1 PWM輸出54.1.2 逆變及驅(qū)動54.2 接收部分65 測試結(jié)果及分析75.1 測試結(jié)果75.2 數(shù)據(jù)分析77 參考文獻82014年TI杯競賽陜西賽區(qū)設(shè)計