無線電能傳輸開題報告.doc

本科畢業(yè)設計論文開題報告 題目：電能無線傳輸裝置的硬件設計 作者姓名 指導教師 專業(yè)班級 學 院 信息工程學院 提交日期 電能無線傳輸裝置的硬件設計姓名：專業(yè)班級： 1 課題研究背景及意義人類社會自第二次工業(yè)革命以來，便進入了電氣化時代。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備，傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過金屬導線點對點，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^程中將不可避免的產(chǎn)生一些問題。例如尖端放電、線路老化等因素導致的電火花，不僅會使線路損耗增大，還會大大降低供電的可靠性和安全性1，且會縮短設備的壽命。在油田、鉆采礦井等場合，用傳統(tǒng)的輸電方式容易由于摩擦而產(chǎn)生微小電火花，嚴重時甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，導線直接接觸供電還有電擊的危險2-4。這一系列的問題都在呼喚著一種擺脫金屬電纜的電能傳輸方式，即無線電能傳輸。無線電能傳輸（WPT）是一種有效的新型電能傳輸方法，通過無線電能傳輸，不需要使用電纜或其他實物就能進行電能的傳輸，電能可以通過短距離耦合，中等范圍的諧振感應和電磁波感應傳輸，在很難使用傳統(tǒng)電纜的地方也可以實現(xiàn)電能傳輸5。實現(xiàn)無線電能傳輸，將使人類在電能方面的應用更加寬廣和靈活。電能的無線傳輸技術將開辟人類能源的另一個新時代,給大眾帶來非同凡響的意義和影響根據(jù)傳輸原理的不同。無線電能傳輸方式按傳輸原理的不同可分為電磁感應式、電磁共振式以及電磁波輻射式三種。作為無線電能傳輸?shù)娜N主流方式，它們都有各自的優(yōu)勢與不足。一般來說，電磁感應技術比較具有實現(xiàn)性，且已應用于當前各種電子產(chǎn)品，它的優(yōu)點是能量的傳輸效率較高，但存在傳輸距離短，發(fā)熱大，線圈對準困難等問題；電磁波傳輸能夠實現(xiàn)遠距離傳輸，但是現(xiàn)階段效率過低，另一方面?zhèn)鬏斶^程中的介質也會對電磁波產(chǎn)生影響；磁耦合諧振無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，因而受到的關注較多。2 無線電能傳輸研究發(fā)展2.1 無線電能傳輸國外研究發(fā)展 19世紀30年代，邁克爾法拉第提出電磁感應定律，即穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中會有電流產(chǎn)生。19世紀90年代，被稱為無線電能傳輸之父的尼古拉特斯拉第一次提出無線電能傳輸?shù)臉嬒耄⒂?899年演示了無導線的高頻電流電動機，但出于效率與安全的考慮，這一技術就此擱置6。20世紀20年代，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了八本宇田天線，可用于無線電能傳輸?shù)亩ㄏ颉?0世紀60年代，雷聲公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）設計了一種半波電偶極子半導體二極管整流天線，此天線效率高且結構簡單，由此完成了32.45GHz微電波驅動直升機的實驗7-8。后來，他又進行了室內(nèi)微波能量傳輸實驗，實現(xiàn)了90%的微波-直流能量轉換效率。自Brown的實驗成功以后，無線電能傳輸技術引起了廣泛的關注。1968年，Peter Glaster提出通過構建太空太陽能為地球無線傳輸能源的設想。1975年，在美國宇航員的支持下，開始了無線電能傳輸?shù)孛鎸嶒灥?a計劃。近幾年，無線電能傳輸技術的發(fā)展更為迅猛。2007年，美國麻省理工學院的馬林索爾賈西克（Marin Soljacic）等人在無線電能傳輸方面取得新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點亮了一盞60w的燈泡7-8。2009年，TI和Fulton（eCoupled技術）公司合作開發(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展上，松下集團推出了一款無線充電的太陽能電池板。2012年，LockheedMartin公司研發(fā)出激光無線充電系統(tǒng)。2.2 無線電能傳輸國內(nèi)研究發(fā)展無線能量傳輸技術在國內(nèi)的起步較晚。1994年，電子科技大學的林為干院士第一次將微波輸能技術引入到國內(nèi)。之后，中科院電工所進行了相關的理論研究。1998年，上海大學利用微波輸能實現(xiàn)了對管道機器人的供能。2001年，西安石油學院的李宏發(fā)表了第一篇關于感應電能傳輸技術在感應電機機車上應用的可行性的文章。同年，重慶大學孫躍教授開始對無線電能傳輸技術的研究，且重慶大學與新西蘭奧克大學展開了合作，進行更深層次的學術交流。2003年，重慶大學鄭小林、皮喜田等對無線電能傳輸用于體內(nèi)診療裝置進行了研究。2007年，孫躍教授研制出了感應耦合無線輸電裝置，可同時向多個設備實現(xiàn)600到1000W的電能傳輸，效率高達70%。2009年四川大學使用平面天線和接收整流陣列，實現(xiàn)200m的長距離無線電能輸送實驗9。2013年3月中科院上海微系統(tǒng)所實現(xiàn)了0.6m距離的磁共振耦合能量傳輸，效率達50%。隨著技術的成熟與進步，越來越多的科研機構及高校開始了關于無線電能傳輸技術的研究。研究進一步深入，研究領域也逐漸擴大。3 主要研究內(nèi)容 本課題主要對基于磁耦合諧振的無線電能傳輸系統(tǒng)展開研究。首先完成此系統(tǒng)的設計，制作硬件電路，再分析影響傳輸距離與效率的因素，并通過改進與調試，實現(xiàn)傳輸距離與傳輸效率的最優(yōu)化。3.1 磁耦合諧振無線電能傳輸機理3.1.1 磁耦合 一個線圈的電流變化在相鄰的線圈產(chǎn)生感應電動勢,它們在電的方面彼此獨立,之間的相互影響是靠磁場將其聯(lián)系起來的,這種現(xiàn)象稱為磁耦合。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系，是各施感電流的磁通鏈疊加得到的結果。若兩個耦合電感，L1和L2中有變動電流，各電感中的磁通鏈將會隨著電流變化而變化10。設耦合電感L1和L2的電壓和電流，分別為、和、，且方向都為關聯(lián)參考方向，互感是M，則兩個耦合電感的電壓、電流的關系為： （3-1） 耦合系數(shù)定量地描述了兩個耦合線圈的耦合緊疏程度，用k表示，有 (3-2)k 的大小，兩個線圈的相互位置、結構以及周圍的磁介質有關系。調整或改變他們的相互位置，可以改變耦合因數(shù)的大?。划擫1和L2一定，也就相應改變了互感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)過逆變后形成了高頻激勵源，使與之直接相連的源線圈產(chǎn)生諧振，且在源線圈的周圍形成了交變磁場。發(fā)射線圈通過感應源線圈的交變磁場與之形成共振。這樣，能量就通過源線圈傳送到發(fā)射線圈，再經(jīng)發(fā)射線圈傳遞出去11。能量接收端有兩個線圈，分別是接收線圈和負載線圈。接收線圈在收到發(fā)射線圈傳遞過來的能量后，再傳送圖3.1 磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)框圖給負載線圈。負載線圈之后連接能量變換電路，使高頻交流功率轉換成直流功率，供給后面的用電負載使用12。 3.2 系統(tǒng)方案初步設計3.2.1 系統(tǒng)整體設計 系統(tǒng)由發(fā)射裝置電路、接收裝置電路、單片機控制部分、驅動電路、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，電能通過發(fā)射裝置發(fā)射出去，接收裝置接收后通過整流電路將電能提供給負載。控制電路由單片機控制系統(tǒng)組成，單片機產(chǎn)生PFM 和PWM信號，控制開關管的導通和截止，產(chǎn)生方波信號，單片機通過A/D對輸入電壓進行采樣并通過液晶屏顯示出來。K60 單片機 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、四個開關管以及串聯(lián)LC 諧振網(wǎng)絡組成。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 電路正常工作時需要兩個相位相反的驅動脈沖分別控制兩組開關管。T1 和T4開關管由一個驅動脈沖控制，T2和T3開關管由另一個驅動脈沖來控制。此設計電源利用效率高，但是采用四個開關管，結構復雜，體積較大，成本較高，控制復雜而且驅動電路復雜，導通損耗也相對較大。并且不能出現(xiàn)同一橋臂的開關管同時導通，因此對同一組開關管參數(shù)的一致性要求高。 方案二：采用D類功率放大電路發(fā)射，其電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 D類串聯(lián)諧振電路原理圖 T1和T2為兩個參數(shù)相同的開關管，L和C為輸出端的串聯(lián)諧振回路。加在開關管上的驅動信號相差180，驅動信號采用矩形波，因為其激勵效率更高。半橋發(fā)射電路由于只需要兩個開關管，體積相對較小、結構簡單并且控制較容易。而且輸出功率也不會太低。 比較上述兩種方案，方案二更簡便，更易實現(xiàn)，較符合實際情況。因此，選擇方案二。 如圖3.5為發(fā)射電路的初步設計方案。圖3.5 發(fā)射電路原理圖 電路中，加在開關管上的驅動信號為互補的方波，為防止兩管同時導通，兩方波之間加有死區(qū)時間。當T1管閉合時，T2管斷開，選頻網(wǎng)絡及負載上的電壓為電源電壓Vcc減去T1管的飽和壓降；當T1管斷開，T2管閉合時，選頻網(wǎng)絡及負載上的電壓為T2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，頻率為驅動信號的基頻13。當開關頻率調節(jié)到與諧振頻率相差不多時，LC串聯(lián)回路發(fā)生諧振。3.2.3 整流電路模塊設計方案一：單向半波整流電路，半波整流是一種利用二極管的單向導通特性來進行整流的常見電路，除去半周、下半周的整流方法。方案二：單向全波整流就是對交流電的正、負半周電流都加以利用，輸出的脈動電流，是將交流電的負半周也變成正半周方案三：橋式全波整流利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正的輸出；輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通。 橋式全波整流電源利用率高，輸出的直流電壓較高.輸出電壓脈動小，正負半周均有電流流過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線電能傳輸系統(tǒng)中的一個非常重要的指標。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)傳輸能效的關鍵舉措15。但因為趨膚效應，提高諧振頻率會使增大線圈內(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)的傳輸能效達到最大，是磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)下一步需要解決的問題。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象，分析線圈參數(shù)對傳輸距離的影響。在發(fā)射線圈與接受線圈同軸防止，且都為為螺旋線圈時，諧振耦合無線電能傳輸?shù)木嚯x與互感的關系為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。對于結構和參數(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，以及因趨膚效應等產(chǎn)生的損耗電阻Ro 。對于一般的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(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。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；為電導率。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、電導率、角頻率等因素有關。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，導線有效截面積會減小，從而造成導線的利用率下降，等效電阻變大，諧振的能量損耗會增加，進而導致線圈產(chǎn)生的磁場強度，和作用范圍下降，也影響能量的傳輸距離。如果采用多股導線并聯(lián)的單匝線圈結構，來增大線徑，不但能減小趨膚效應的影響，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所示為多股導線并聯(lián)的單匝線圈結構，諧振電容 C 被并聯(lián)在線圈的兩端。圖3.6 多股導線并聯(lián)單匝線圈結構4 研究工作總體安排與時間進度2015年12月20日2015年12月31日：查找相關資料，確定研究方向；2016年01月01日2016年01月07日：學習基礎知識；2016年01月08日2016年01月15日：查找相關外文文獻，確定與課題相關的兩篇；2016年01月16日2016年02月03日：進行外文翻譯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：查找相關文獻，撰寫文獻綜述；2016年02月17日2016年02月25日：修改文獻綜述；2016年02月26日2016年03月02日；撰寫開題報告，與導師交流；2016年03月03日2016年03月09日：確定初步設計方案；2016年03月10日2016年03月20日：進行發(fā)射線圈及電路的設計；2016年03月21日2016年03月31日：進行接收線圈及整流電路的設計；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合調試；2016年05月08日2016年05月20日：根據(jù)調試結果對硬件線路進行改進，最終完成成品的設計；2016年05月21日2016年05月31日：整理、總結研究數(shù)據(jù)，撰寫畢業(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，準備答辯。 參考文獻1 K.W.E.Cheng, Lu,Y. 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