無(wú)線電能傳輸開(kāi)題報(bào)告.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開(kāi)題報(bào)告 題目：電能無(wú)線傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì) 作者姓名 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 提交日期 電能無(wú)線傳輸裝置的硬件設(shè)計(jì)姓名：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 1 課題研究背景及意義人類(lèi)社會(huì)自第二次工業(yè)革命以來(lái)，便進(jìn)入了電氣化時(shí)代。大至遍布世界各地的高壓線、電網(wǎng)，小至各種各樣的家用電氣設(shè)備，傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過(guò)金屬導(dǎo)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，屬于直接接觸傳輸。這種傳輸方式使用電纜線作為媒介，在電能傳輸?shù)倪^(guò)程中將不可避免的產(chǎn)生一些問(wèn)題。例如尖端放電、線路老化等因素導(dǎo)致的電火花，不僅會(huì)使線路損耗增大，還會(huì)大大降低供電的可靠性和安全性1，且會(huì)縮短設(shè)備的壽命。在油田、鉆采礦井等場(chǎng)合，用傳統(tǒng)的輸電方式容易由于摩擦而產(chǎn)生微小電火花，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，導(dǎo)線直接接觸供電還有電擊的危險(xiǎn)2-4。這一系列的問(wèn)題都在呼喚著一種擺脫金屬電纜的電能傳輸方式，即無(wú)線電能傳輸。無(wú)線電能傳輸（WPT）是一種有效的新型電能傳輸方法，通過(guò)無(wú)線電能傳輸，不需要使用電纜或其他實(shí)物就能進(jìn)行電能的傳輸，電能可以通過(guò)短距離耦合，中等范圍的諧振感應(yīng)和電磁波感應(yīng)傳輸，在很難使用傳統(tǒng)電纜的地方也可以實(shí)現(xiàn)電能傳輸5。實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，將使人類(lèi)在電能方面的應(yīng)用更加寬廣和靈活。電能的無(wú)線傳輸技術(shù)將開(kāi)辟人類(lèi)能源的另一個(gè)新時(shí)代,給大眾帶來(lái)非同凡響的意義和影響根據(jù)傳輸原理的不同。無(wú)線電能傳輸方式按傳輸原理的不同可分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式以及電磁波輻射式三種。作為無(wú)線電能傳輸?shù)娜N主流方式，它們都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。一般來(lái)說(shuō)，電磁感應(yīng)技術(shù)比較具有實(shí)現(xiàn)性，且已應(yīng)用于當(dāng)前各種電子產(chǎn)品，它的優(yōu)點(diǎn)是能量的傳輸效率較高，但存在傳輸距離短，發(fā)熱大，線圈對(duì)準(zhǔn)困難等問(wèn)題；電磁波傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，但是現(xiàn)階段效率過(guò)低，另一方面?zhèn)鬏斶^(guò)程中的介質(zhì)也會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生影響；磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸中和了上述兩種傳輸方式，具有中中等距離傳輸和較高效率的特點(diǎn)，因而受到的關(guān)注較多。2 無(wú)線電能傳輸研究發(fā)展2.1 無(wú)線電能傳輸國(guó)外研究發(fā)展 19世紀(jì)30年代，邁克爾法拉第提出電磁感應(yīng)定律，即穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中會(huì)有電流產(chǎn)生。19世紀(jì)90年代，被稱(chēng)為無(wú)線電能傳輸之父的尼古拉特斯拉第一次提出無(wú)線電能傳輸?shù)臉?gòu)想，并于1899年演示了無(wú)導(dǎo)線的高頻電流電動(dòng)機(jī)，但出于效率與安全的考慮，這一技術(shù)就此擱置6。20世紀(jì)20年代，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了八本宇田天線，可用于無(wú)線電能傳輸?shù)亩ㄏ颉?0世紀(jì)60年代，雷聲公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）設(shè)計(jì)了一種半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，此天線效率高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由此完成了32.45GHz微電波驅(qū)動(dòng)直升機(jī)的實(shí)驗(yàn)7-8。后來(lái)，他又進(jìn)行了室內(nèi)微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了90%的微波-直流能量轉(zhuǎn)換效率。自Brown的實(shí)驗(yàn)成功以后，無(wú)線電能傳輸技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。1968年，Peter Glaster提出通過(guò)構(gòu)建太空太陽(yáng)能為地球無(wú)線傳輸能源的設(shè)想。1975年，在美國(guó)宇航員的支持下，開(kāi)始了無(wú)線電能傳輸?shù)孛鎸?shí)驗(yàn)的5a計(jì)劃。近幾年，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展更為迅猛。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林索爾賈西克（Marin Soljacic）等人在無(wú)線電能傳輸方面取得新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60w的燈泡7-8。2009年，TI和Fulton（eCoupled技術(shù)）公司合作開(kāi)發(fā)用于控制非接觸式充電的電源芯片。2011年，在東京舉行的安防用品會(huì)展上，松下集團(tuán)推出了一款無(wú)線充電的太陽(yáng)能電池板。2012年，LockheedMartin公司研發(fā)出激光無(wú)線充電系統(tǒng)。2.2 無(wú)線電能傳輸國(guó)內(nèi)研究發(fā)展無(wú)線能量傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)的起步較晚。1994年，電子科技大學(xué)的林為干院士第一次將微波輸能技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)。之后，中科院電工所進(jìn)行了相關(guān)的理論研究。1998年，上海大學(xué)利用微波輸能實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道機(jī)器人的供能。2001年，西安石油學(xué)院的李宏發(fā)表了第一篇關(guān)于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)在感應(yīng)電機(jī)機(jī)車(chē)上應(yīng)用的可行性的文章。同年，重慶大學(xué)孫躍教授開(kāi)始對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究，且重慶大學(xué)與新西蘭奧克大學(xué)展開(kāi)了合作，進(jìn)行更深層次的學(xué)術(shù)交流。2003年，重慶大學(xué)鄭小林、皮喜田等對(duì)無(wú)線電能傳輸用于體內(nèi)診療裝置進(jìn)行了研究。2007年，孫躍教授研制出了感應(yīng)耦合無(wú)線輸電裝置，可同時(shí)向多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)600到1000W的電能傳輸，效率高達(dá)70%。2009年四川大學(xué)使用平面天線和接收整流陣列，實(shí)現(xiàn)200m的長(zhǎng)距離無(wú)線電能輸送實(shí)驗(yàn)9。2013年3月中科院上海微系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)了0.6m距離的磁共振耦合能量傳輸，效率達(dá)50%。隨著技術(shù)的成熟與進(jìn)步，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)及高校開(kāi)始了關(guān)于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究。研究進(jìn)一步深入，研究領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。3 主要研究?jī)?nèi)容 本課題主要對(duì)基于磁耦合諧振的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)展開(kāi)研究。首先完成此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制作硬件電路，再分析影響傳輸距離與效率的因素，并通過(guò)改進(jìn)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)傳輸距離與傳輸效率的最優(yōu)化。3.1 磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸機(jī)理3.1.1 磁耦合 一個(gè)線圈的電流變化在相鄰的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),它們?cè)陔姷姆矫姹舜霜?dú)立,之間的相互影響是靠磁場(chǎng)將其聯(lián)系起來(lái)的,這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁耦合。能量傳輸?shù)男屎蛡鬏數(shù)木嚯x主要取決于耦合的效率。自感磁通鏈和互感磁通鏈兩部分相加即是耦合線圈中的磁通鏈，耦合線圈的磁通鏈與施感電流呈線性關(guān)系，是各施感電流的磁通鏈疊加得到的結(jié)果。若兩個(gè)耦合電感，L1和L2中有變動(dòng)電流，各電感中的磁通鏈將會(huì)隨著電流變化而變化10。設(shè)耦合電感L1和L2的電壓和電流，分別為、和、，且方向都為關(guān)聯(lián)參考方向，互感是M，則兩個(gè)耦合電感的電壓、電流的關(guān)系為： （3-1） 耦合系數(shù)定量地描述了兩個(gè)耦合線圈的耦合緊疏程度，用k表示，有 (3-2)k 的大小，兩個(gè)線圈的相互位置、結(jié)構(gòu)以及周?chē)拇沤橘|(zhì)有關(guān)系。調(diào)整或改變他們的相互位置，可以改變耦合因數(shù)的大??；當(dāng)L1和L2一定，也就相應(yīng)改變了互感M的大小。 3.1.2 傳輸系統(tǒng)原理 下圖3.1為磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)主要是由能量發(fā)射端及能量接收端組成。能量發(fā)射端以直流作為功率輸入，經(jīng)過(guò)逆變后形成了高頻激勵(lì)源，使與之直接相連的源線圈產(chǎn)生諧振，且在源線圈的周?chē)纬闪私蛔兇艌?chǎng)。發(fā)射線圈通過(guò)感應(yīng)源線圈的交變磁場(chǎng)與之形成共振。這樣，能量就通過(guò)源線圈傳送到發(fā)射線圈，再經(jīng)發(fā)射線圈傳遞出去11。能量接收端有兩個(gè)線圈，分別是接收線圈和負(fù)載線圈。接收線圈在收到發(fā)射線圈傳遞過(guò)來(lái)的能量后，再傳送圖3.1 磁耦合諧振式無(wú)線傳能系統(tǒng)框圖給負(fù)載線圈。負(fù)載線圈之后連接能量變換電路，使高頻交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率，供給后面的用電負(fù)載使用12。 3.2 系統(tǒng)方案初步設(shè)計(jì)3.2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由發(fā)射裝置電路、接收裝置電路、單片機(jī)控制部分、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路和整流電路組成，如圖3.2所示。主電路輸入直流電壓，電能通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)射出去，接收裝置接收后通過(guò)整流電路將電能提供給負(fù)載?？刂齐娐酚蓡纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)組成，單片機(jī)產(chǎn)生PFM 和PWM信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，產(chǎn)生方波信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)A/D對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣并通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。K60 單片機(jī) 圖3.2 系統(tǒng)整體框圖3.2.2 發(fā)射電路 方案一：采用橋式串聯(lián)諧振電路，電路由直流電源Vcc、四個(gè)開(kāi)關(guān)管以及串聯(lián)LC 諧振網(wǎng)絡(luò)組成。其原理圖如圖3.3所示。 圖3.3 橋式串聯(lián)諧振電路原理圖 電路正常工作時(shí)需要兩個(gè)相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩組開(kāi)關(guān)管。T1 和T4開(kāi)關(guān)管由一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖控制，T2和T3開(kāi)關(guān)管由另一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)控制。此設(shè)計(jì)電源利用效率高，但是采用四個(gè)開(kāi)關(guān)管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，控制復(fù)雜而且驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，導(dǎo)通損耗也相對(duì)較大。并且不能出現(xiàn)同一橋臂的開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，因此對(duì)同一組開(kāi)關(guān)管參數(shù)的一致性要求高。 方案二：采用D類(lèi)功率放大電路發(fā)射，其電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 D類(lèi)串聯(lián)諧振電路原理圖 T1和T2為兩個(gè)參數(shù)相同的開(kāi)關(guān)管，L和C為輸出端的串聯(lián)諧振回路。加在開(kāi)關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用矩形波，因?yàn)槠浼?lì)效率更高。半橋發(fā)射電路由于只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，體積相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且控制較容易。而且輸出功率也不會(huì)太低。 比較上述兩種方案，方案二更簡(jiǎn)便，更易實(shí)現(xiàn)，較符合實(shí)際情況。因此，選擇方案二。 如圖3.5為發(fā)射電路的初步設(shè)計(jì)方案。圖3.5 發(fā)射電路原理圖 電路中，加在開(kāi)關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為互補(bǔ)的方波，為防止兩管同時(shí)導(dǎo)通，兩方波之間加有死區(qū)時(shí)間。當(dāng)T1管閉合時(shí)，T2管斷開(kāi)，選頻網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載上的電壓為電源電壓Vcc減去T1管的飽和壓降；當(dāng)T1管斷開(kāi)，T2管閉合時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載上的電壓為T(mén)2管的飽和壓降。由于輸出回路的選頻作用，輸出電壓就是正弦波的電壓，頻率為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的基頻13。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)到與諧振頻率相差不多時(shí)，LC串聯(lián)回路發(fā)生諧振。3.2.3 整流電路模塊設(shè)計(jì)方案一：?jiǎn)蜗虬氩ㄕ麟娐?，半波整流是一種利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠?lái)進(jìn)行整流的常見(jiàn)電路，除去半周、下半周的整流方法。方案二：?jiǎn)蜗蛉ㄕ骶褪菍?duì)交流電的正、負(fù)半周電流都加以利用，輸出的脈動(dòng)電流，是將交流電的負(fù)半周也變成正半周方案三：橋式全波整流利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導(dǎo)通，得到正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通。 橋式全波整流電源利用率高，輸出的直流電壓較高.輸出電壓脈動(dòng)小，正負(fù)半周均有電流流過(guò)14，所以采用橋式全波整流電路的效率相比其他兩種電路最高，在體積相同的情況下，功率容量最高，因此其總體性能優(yōu)于單向半波和單向全波整流電路。所以該系統(tǒng)采用橋式全波整流。 圖3.6 橋式全波整流電路3.3 影響傳輸距離和效率的因素初步分析3.3.1 諧振頻率 諧振頻率是磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。提高線圈的諧振頻率，增大諧振線圈之間的互感，減小諧振線圈的內(nèi)阻，是提高系統(tǒng)傳輸能效的關(guān)鍵舉措15。但因?yàn)橼吥w效應(yīng)，提高諧振頻率會(huì)使增大線圈內(nèi)阻，因此，諧振頻率并不是越大越好。怎樣選取共振頻率，使系統(tǒng)的傳輸能效達(dá)到最大，是磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)下一步需要解決的問(wèn)題。3.3.2 線圈參數(shù) 以工程中常用的漆包線繞制的螺旋線圈為對(duì)象，分析線圈參數(shù)對(duì)傳輸距離的影響。在發(fā)射線圈與接受線圈同軸防止，且都為為螺旋線圈時(shí)，諧振耦合無(wú)線電能傳輸?shù)木嚯x與互感的關(guān)系為16 (3-3) 式中，n1、n2 分別為發(fā)射線圈與接收線圈的匝數(shù)；r1、r2 分別為發(fā)射線圈與接收線圈的半徑；D 為線圈之間的距離。對(duì)于結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同的發(fā)射線圈，可以令n1=n2=n，r1=r2=r，代入式（3-3）可得到 (3-4) 線圈的電阻，包括輻射阻抗Rr，以及因趨膚效應(yīng)等產(chǎn)生的損耗電阻Ro 。對(duì)于一般的磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，最佳諧振頻率一般在150MHz，在此頻率段范圍內(nèi) ，RrRo，因此輻射損耗可略去不計(jì)。高頻條件下，線圈的損耗電阻為17： （3-5）式（3-5）中，為角頻率；a為線徑；l為線圈漆包線的周長(zhǎng)；為電導(dǎo)率。將式（3-4）和式（3-5）代入可得到有效的傳輸距離，即 （3-6）由式（3-6）可的：有效傳輸距離與線圈的線徑a、半徑r、電導(dǎo)率、角頻率等因素有關(guān)。3.3.3 線圈形狀 據(jù)前文論述，可得傳輸?shù)木嚯x隨著線圈的線徑增大而增大，線徑增大之后，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)線有效截面積會(huì)減小，從而造成導(dǎo)線的利用率下降，等效電阻變大，諧振的能量損耗會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，和作用范圍下降，也影響能量的傳輸距離。如果采用多股導(dǎo)線并聯(lián)的單匝線圈結(jié)構(gòu)，來(lái)增大線徑，不但能減小趨膚效應(yīng)的影響，還可以減小繞線電阻18。這也是減小電感以提高線圈固有頻率的一種方法。 如圖3.6所示為多股導(dǎo)線并聯(lián)的單匝線圈結(jié)構(gòu)，諧振電容 C 被并聯(lián)在線圈的兩端。圖3.6 多股導(dǎo)線并聯(lián)單匝線圈結(jié)構(gòu)4 研究工作總體安排與時(shí)間進(jìn)度2015年12月20日2015年12月31日：查找相關(guān)資料，確定研究方向；2016年01月01日2016年01月07日：學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)；2016年01月08日2016年01月15日：查找相關(guān)外文文獻(xiàn)，確定與課題相關(guān)的兩篇；2016年01月16日2016年02月03日：進(jìn)行外文翻譯2016年02月4 日2016年02月10日：修改外文翻譯；2016年02月10日2016年02月16日：查找相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述；2016年02月17日2016年02月25日：修改文獻(xiàn)綜述；2016年02月26日2016年03月02日；撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，與導(dǎo)師交流；2016年03月03日2016年03月09日：確定初步設(shè)計(jì)方案；2016年03月10日2016年03月20日：進(jìn)行發(fā)射線圈及電路的設(shè)計(jì)；2016年03月21日2016年03月31日：進(jìn)行接收線圈及整流電路的設(shè)計(jì)；2016年04月01日2016年04月09日：制作發(fā)射電路硬件；2016年04月10日2016年04月25日：制作接收電路硬件；2016年04月26日2016年04月30日：調(diào)試硬件線路；2016年05月01日2016年05月07日：將硬件線路與軟件線路結(jié)合調(diào)試；2016年05月08日2016年05月20日：根據(jù)調(diào)試結(jié)果對(duì)硬件線路進(jìn)行改進(jìn)，最終完成成品的設(shè)計(jì)；2016年05月21日2016年05月31日：整理、總結(jié)研究數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)畢業(yè)論文初稿；2016年06月01日2016年06月10日：修改畢業(yè)論文； 2016年06月11日2016年06月17日：完成論文終稿，PPT制作，準(zhǔn)備答辯。 參考文獻(xiàn)1 K.W.E.Cheng, Lu,Y. 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