無線電能傳輸論文

1、目錄摘要21、設計要求22、系統(tǒng)方案32.1 無線電能傳輸?shù)目傮w設計方案32.2諧振電路方案選擇32.3高頻信號發(fā)生電路比較與選擇43、磁耦合諧振式電能傳輸工作原理分析及計算54、無線電能傳輸裝置電路設計94.1、發(fā)射部分電路設計94.2、接收部分電路設計105、測試結果及分析106、元件清單117 結束語12附錄一 實物圖12附錄二 總體設計電路圖13無線電能傳輸裝置摘要 文中介紹了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置。該裝置包括了發(fā)射部分和接收部分，發(fā)射裝置包括電源電路、震蕩電路、驅(qū)動電路和發(fā)射線圈；接收部分包括了接收線圈、整流電路、穩(wěn)壓電路。測試結果表明：本裝置接收線圈，在負載電阻為20歐姆

2、輸出電流0.5A時，輸出電壓大于等于8V，傳輸效率較高；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）時，在保持LED燈不滅的條件下，發(fā)射線圈與接收線圈間距離大于50cm。符合設計的基本要求，達到很好的效果。關鍵詞：無線電能傳輸裝置，磁耦合諧振電路，線圈1、設計要求設計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結構框圖如圖1所示。（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。（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于

3、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距離x。（3）其他自主發(fā)揮（4）設計報告2、系統(tǒng)方案為了實現(xiàn)該設計中的各項指標，設計并制作了一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結構框圖如圖1所示。圖1 電能無線傳輸裝置結構框圖輸入電源U1提供系統(tǒng)的供電，驅(qū)動電路負責產(chǎn)生諧振所需的震蕩信號，并放大驅(qū)動發(fā)射線圈。接收線圈諧振接收發(fā)射線圈的電能通過電能變換電路供給負載。2.1 無線電能傳輸?shù)目傮w設計方案方案一：使用感應式電能傳輸。電磁感應現(xiàn)象是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變

4、壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的，利用電磁感應進行短程電力傳輸。缺點比較明顯，傳輸距離較短，從本設計來看，該方案無法達到十幾厘米或更遠的距離。故放棄該方案的選擇。方案二：磁耦合諧振式電能傳輸。該方式以諧振“磁耦合”形式將電能進行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現(xiàn)電力高效傳輸。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術在未來有著廣闊的應用前景，具有高效率、遠距離等優(yōu)點，故本設計選擇該方案進行研究。 2.2諧振電路方案選擇 本設計使用并聯(lián)式諧振電路其基本電路如圖2所示，該電路具有回路Q值越高，回路選擇信號能力強。為了使電路達到“磁耦合”必須選擇合適的線圈和匹配電容。線圈采用單股銅芯，直徑1

5、mm的漆包線繞制而成，繞4圈，其電感量約為17uH?？紤]到電子器件的性能，系統(tǒng)的工作頻率越高對器件的要求也越高，為了平衡這一關系，同時達到系統(tǒng)的頻率要求，本系統(tǒng)在實際設計中并聯(lián)諧振電容，以降低諧振線圈的諧振頻率。為使線圈諧振頻率在100khz左右，采用在線圈兩端并聯(lián)電容。電容量、電容損耗、工作電壓、絕緣電阻、頻率特性和溫度系數(shù)是電容器選擇時需要考慮的特性參數(shù)。由于本文所選電容需要工作在較高頻率，因此電容高頻工作時的特性需要考慮。在高頻工作時，電容損耗增加工作穩(wěn)定性變差，因此電解電容和紙質(zhì)電容不適合高頻電路。綜合考慮瓷片電容具有較好的高頻性能，其是一種用陶瓷材料作介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜

6、，再經(jīng)高溫燒結后作為電極而成的電容器。瓷片電容不僅有體積小的優(yōu)點，其在高頻電路中使用時，可靠性好、耐高溫，且能抗高電壓和大電流的沖擊。由于瓷片電容器非常適用于高頻電路，本設計選用瓷片電容器作為諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振電容。圖2 并聯(lián)諧振電路2.3高頻信號發(fā)生電路比較與選擇方案一：采用單片機與DAC0832實現(xiàn)波形。數(shù)模轉(zhuǎn)換器構成信號發(fā)生器，因為是軟件濾波，所以一般不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較好。它的優(yōu)點是性能較高，在低頻信號范圍內(nèi)穩(wěn)定性能好、操作很方便、體積小、功耗低等。但去輸出的頻率較低，難以達到1MHz的方波。故本設計放棄該方案的選擇。方案二：采用FPGA產(chǎn)生波形。近年來

7、，隨著科學技術迅猛發(fā)展，先進的FPGA很快成為現(xiàn)代電子信息時代的主導控制核心。其波形控制靈活，可編程邏輯能力被廣泛應用于醫(yī)學儀器、航天測控、民用家電等領域。考慮到本組成員的知識層次還較低，駕馭fpga的能力尚淺，放棄了該方案的選擇。方案三：采用分立元件NE555來實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號發(fā)生器。這種信號發(fā)生器的輸出頻率范圍比較窄，而且電路參數(shù)設定比較簡單，其頻率大小的測量需要通過硬件電路的調(diào)試與切換即可實現(xiàn)，操作實在是很方便。實現(xiàn)電路簡單，方便易操作，成本較低，故本設計采用該方案進行產(chǎn)生高頻信號。3、磁耦合諧振式電能傳輸工作原理分析及計算基于磁場耦合諧振的無線電能傳輸裝置

8、由高頻驅(qū)動電路、發(fā)射回路和接收回路構成，其中發(fā)射回路包括驅(qū)動線圈和發(fā)射諧振線圈，接收回路包括接收諧振線圈及負載線圈電路。發(fā)射線圈和接收線圈均為兩個固有諧振頻率相同的LC電路，當驅(qū)動信號頻率與線圈固有諧振頻率相同時，發(fā)射、接收線圈發(fā)生諧振，在磁場的作用下兩線圈之間產(chǎn)生很強的耦合，實現(xiàn)電能的無線傳輸。示意圖如圖3所示。圖3 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖上圖中發(fā)射線圈S與驅(qū)動線圈A耦合，接收線圈D與負載線圈B耦合，A與S、D與B之間的距離 、很小，它們之間主要是近距離感應耦合。系統(tǒng)正常工作時，驅(qū)動線圈A周圍產(chǎn)生一個高頻交變磁場，發(fā)射線圈S利用電磁感應從驅(qū)動線圈A獲得能量，接收線圈D和發(fā)射線圈S

9、具有相同的頻率而發(fā)生諧振，兩線圈之間形成一條能量傳輸通道，實現(xiàn)電能的無線傳輸。接收線圈D中存儲的能量，以感應耦合的形式，轉(zhuǎn)移到負載線圈B中，供負載使用，從而實現(xiàn)了電能在一定的距離內(nèi)連續(xù)不斷的傳輸。發(fā)射線圈S和接收線圈D的諧振頻率可以通過接入外部電容調(diào)節(jié)到相同的頻率。為使無線傳輸系統(tǒng)簡單化，上述傳輸系統(tǒng)的發(fā)射回路可以簡化為只包括發(fā)射諧振線圈，接收回路可以簡化為只包括接收諧振線圈，如下圖4所示就是本設計的簡化模型。圖4 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)簡化示意圖由諧振頻率公式： (1)可知，在忽略線圈自身的分布電容，按照上式計算只能得到大約的線圈諧振頻率，受限于有限的實驗條件，實驗中采用實際測量的方法

10、來較準確地得出線圈的諧振頻率：把發(fā)射線圈直接接到信號發(fā)生器上，利用兩個1W的發(fā)光二極管串聯(lián)作為負載，在發(fā)射、接收線圈的距離一定時，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率，當發(fā)光二極管達到最亮時信號發(fā)生器的頻率即為線圈的諧振頻率。由于磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的最佳頻率段為100KHz，顯然頻率也不能無線的增大，且頻率越高對器件的要求越高，而市面上的器件往往不易滿足大頻率的要求。對于確定的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，當系統(tǒng)的頻率變化時，傳輸效率也發(fā)生變化。當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率與線圈的諧振頻率相同即時，傳輸效率最大；當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率偏離線圈的諧振頻率時，傳輸效率逐漸下降。兩線圈間的耦合系數(shù)k表征的是兩個線圈間

11、的能量傳輸速度，主要是由兩線圈間的距離來決定。耦合系數(shù)k越大，能量從一個線圈傳輸?shù)搅硪粋€線圈的速度就越快，就越容易建立起穩(wěn)定的能量傳輸通道。磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由高頻驅(qū)動信號、驅(qū)動線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、諧振電容和負載回路等構成。為簡化系統(tǒng)分析，僅對發(fā)生諧振耦合的發(fā)射和接收兩線圈進行等效分析。諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)等效電路模型如圖5所示，其中U為理想高頻信號源，頻率為，、分別為發(fā)射線圈、接收線圈在高頻下的電感量，、分別是發(fā)射、接收線圈在高頻下的寄生電阻，、分別為發(fā)射、接收線圈的匹配電容(線圈自身分布電容可以忽略不計)，為負載電阻，M為兩線圈之間的互感系數(shù)，D為兩線圈之間的距離。

12、圖5 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路設發(fā)射線圈流過電流的角頻率為，有效值為，當發(fā)射、接收線圈處于自諧振狀態(tài)時，則有 (2) (3)對圖5列KCL、KVL方程有 (4) (5)由式(3)、(4)、(5)得負載電流有效值、輸出功率如式(6)、(7)所示： (6) (7)式(7)中與輸入電壓U成正比。系統(tǒng)的效率為： (8)其中，為發(fā)射線圈上損耗的功率，為接收線圈上損耗的功率。接收線圈上的電流為： (9)那么接收端線圈的損耗功率為： (10)發(fā)射端線圈的損耗功率為： (11)由式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)可以計算出系統(tǒng)的傳輸效率為：(12)利用諾依曼公式計算空間兩線圈的互感，其中

13、為真空磁導率，兩線圈之間的互感近似為： (13)兩線圈之間的耦合系數(shù)k為： (14)對于確定的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)(諧振頻率以及、已定)，當系統(tǒng)的頻率變化時，傳輸效率也發(fā)生變化。當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率與線圈的諧振頻率相同即時，傳輸效率最大；當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率偏離線圈的諧振頻率時，傳輸效率逐漸下降。兩線圈間的耦合系數(shù)k表征的是兩個線圈間的能量傳輸速度，主要是由兩線圈間的距離來決定。耦合系數(shù)k越大，能量從一個線圈傳輸?shù)搅硪粋€線圈的速度就越快，就越容易建立起穩(wěn)定的能量傳輸通道。當把系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率固定在諧振頻率()，耦合系數(shù)k變化時，由(11)、（13)式可以看出k越大，系統(tǒng)的傳輸效率越高

14、。4、無線電能傳輸裝置電路設計4.1、發(fā)射部分電路設計 發(fā)射電路主要由、NE555多諧振蕩器電路、驅(qū)動芯片IRF540、發(fā)射線圈等組成。其電路如圖6所示。圖6 無線電能發(fā)射電路輸入15V,主要作用是提供NE555、驅(qū)動芯片IRF540、發(fā)射線圈等系統(tǒng)所需要的合適電壓。NE555組成的多諧振蕩器電路為系統(tǒng)提供所需要的震蕩波形。NE555功能強大，其各個引腳功能如下： Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出)

15、-當時間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的

16、電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。4.2、接收部分電路設計接收電路由接收線圈、整流電路、穩(wěn)壓電容等構成，其電路如圖7。為了更容易實現(xiàn)接收與發(fā)射產(chǎn)生諧振，接收線圈并聯(lián)的電容應與發(fā)射線圈并聯(lián)的電容容量大小一樣。為了得到穩(wěn)定的直流電供給負載，由于接收線圈接收到的是交流電壓，必須經(jīng)過圖中四個二極管組成的整流電路BR1。輸出由1個47uF的電解電容組成，這樣會得到更加穩(wěn)定的直流電。圖7 無線電能接收電路5、測試結果及分析

17、 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，負載為20歐姆電阻時，該無線電能傳輸裝置的輸出電壓及效率數(shù)據(jù)如表1所示。表1：輸入電流（A）輸出電壓輸入功率輸出功率效率（%）0.849.912.64.9038.90.8210.012.35.0040.60.8510.212.755.2040.70.8410.112.65.1040.40.8210.012.35.0040.60.8510.012.755.0039.20.8410.112.65.1040.40.849.812.64.8039.00.8410.112.65.1040.40.839.912.454.9039.30.8410.112.65.1040.40.8310.112.455.1040.9根據(jù)上表計算出效率的平均值為：40.35%。 通過調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)振蕩器頻率為800KHz1MHz傳輸效率較高。6、元件清單序號名稱數(shù)量1N4007 1只1N4148 4只IRF540場效應管 散熱片 螺絲555脈沖模塊電解電容43uf 200ufCBB電容104 4只按鍵開關 1個 充電線圈 2個端子 3個 金屬膜電阻1K 1個金屬膜電阻20 1個LED 紅 1只 1WLED 2只萬用板 2張12V充電器