省二等獎(jiǎng)-黑龍江省電子設(shè)計(jì)大賽TI杯F題----無線電能傳輸裝置

1、黑龍江電子設(shè)計(jì)大賽TI杯F題（無線電能傳輸裝置）摘要：無線供電技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的技術(shù)，這種供電技術(shù)可以透過所有非金屬物質(zhì)來傳輸電力，磁耦合諧振式無線供電技術(shù)可以使供電距離提升到米級(jí)的范疇，本論文設(shè)計(jì)了滿足要求的無線電能傳輸裝置的發(fā)射電路和接收電路，同時(shí)介紹了電路中所設(shè)計(jì)模塊的工作原理及功能，根據(jù)設(shè)計(jì)制作出了無線電能傳輸裝置。通過改變諧振線圈的電容，電感，線寬等自身參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)源信號(hào)頻率，驅(qū)動(dòng)電壓等外界參數(shù)可調(diào)節(jié)接收端輸出特性。關(guān)鍵詞：磁耦合諧振式，無線電能傳輸，距離傳輸特性引言：目前，無線充電技術(shù)經(jīng)過上百年的發(fā)展，已經(jīng)從理論研究邁向了實(shí)際應(yīng)用的階段，市面上已有的產(chǎn)品遍及生活和工業(yè)的各

2、個(gè)領(lǐng)域，自從美國麻省理工學(xué)院于2007年發(fā)表其研究成果后,磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)就成為了研究熱點(diǎn)問題。 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)在繼承了可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾姶挪ㄊ胶徒嚯x傳輸?shù)碾姶鸥袘?yīng)式無線電呢過傳輸技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又克服了其不足。傳輸距離方面：電磁波式傳輸距離最遠(yuǎn)，電磁感應(yīng)式傳輸距離最短。磁耦合諧振式傳輸距離適中，介于兩者之間，在保證高效率的同時(shí)，突破了電磁感應(yīng)式厘米、毫米等級(jí)限制；傳輸效率及功率方面：電磁波式因遠(yuǎn)距離傳輸在空氣中損耗嚴(yán)重而效率較低，對(duì)應(yīng)的傳輸功率也相對(duì)較低；電磁感應(yīng)在毫、厘米距離范圍內(nèi)，傳輸效率較高，傳輸效率可達(dá)到千瓦級(jí)；磁耦合諧振式傳輸效率稍低于電磁感應(yīng)式，功率在瓦

3、至百瓦級(jí)，甚至更高；對(duì)周圍環(huán)境的影響：大功率的電磁波式無線電能傳輸因空間中電磁波輻射，會(huì)對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響；電磁感應(yīng)式近似一個(gè)變壓器的松耦合，對(duì)周圍的環(huán)境影響較??；磁耦合諧振式是一種非輻射性耦合，在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，僅對(duì)與其諧振頻率相匹配的物體產(chǎn)生強(qiáng)耦合作用，而偏離諧振的物體影響則很弱。 一、方案論證與設(shè)計(jì) 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1.1基本任務(wù)制作一個(gè)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1.1.2基本要求 （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(shí)，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提

4、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(fù)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(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。（45分）1.2系統(tǒng)基本方案選擇和論證系統(tǒng)基本原理 載流線圈之間通過彼此的磁場(chǎng)相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象稱為磁耦合。耦合電感元件屬于多端元件，在實(shí)際電路中，如收音機(jī)、電視機(jī)中的中周線圈、振蕩線圈，整流電源里使用的變壓器等都是耦合電感元件，熟悉這類多端元件的特性，掌握包含這類多端元件的電路問題的分析方法是非常必要的。1. 互感 圖 3兩個(gè)靠得很近的電感線圈之間有磁的耦合，如圖3所示，當(dāng)線圈1中通電流i

5、1時(shí)，不僅在線圈1中產(chǎn)生磁通11，同時(shí)，有部分磁通21穿過臨近線圈2，同理，若在線圈2中通電流i2 時(shí)，不僅在線圈2中產(chǎn)生磁通22，同時(shí)，有部分磁通12穿過線圈1，12和21稱為互感磁通。定義互磁鏈： 12 = N112 21 = N221 當(dāng)周圍空間是各向同性的線性磁介質(zhì)時(shí)，磁通鏈與產(chǎn)生它的施感電流成正比，即有自感磁通鏈： 互感磁通鏈： 上式中 M12 和 M21 稱為 互感系數(shù)，單位為（H）。 當(dāng)兩個(gè)線圈都有電流時(shí)，每一線圈的磁鏈為自磁鏈與互磁鏈的代數(shù)和： 需要指出的是： ）M 值與線圈的形狀、幾何位置、空間媒質(zhì)有關(guān)，與線圈中的電流無關(guān)，因此，滿足 M 12 =M21 =M ）自感系數(shù) L

6、 總為正值，互感系數(shù) M 值有正有負(fù)。正值表示自感磁鏈與互感磁鏈方向一致，互感起增助作用，負(fù)值表示自感磁鏈與互感磁鏈方向相反，互感起削弱作用。 耦合因數(shù) k 與線圈的結(jié)構(gòu)、相互幾何位置、空間磁介質(zhì)有關(guān)。2.耦合電感上的電壓、電流關(guān)系 當(dāng)電流為時(shí)變電流時(shí)，磁通也將隨時(shí)間變化，從而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和楞次定律得每個(gè)線圈兩端的電壓為： 即線圈兩端的電壓均包含自感電壓和互感電壓。 在正弦交流電路中，其相量形式的方程為 注意： 當(dāng)兩線圈的自感磁鏈和互感磁鏈方向一致時(shí)，稱為互感的“增助”作用，互感電壓取正；否則取負(fù)。以上說明互感電壓的正、負(fù)： （ 1 ）與電流的參考方向有關(guān)。 （ 2

7、 ）與線圈的相對(duì)位置和繞向有關(guān)。3.互感線圈的同名端 由于產(chǎn)生互感電壓的電流在另一線圈上，因此，要確定互感電壓的符號(hào)，就必須知道兩個(gè)線圈的繞向，這在電路分析中很不方便。為了解決這一問題引入同名端的概念。 同名端: 當(dāng)兩個(gè)電流分別從兩個(gè)線圈的對(duì)應(yīng)端子同時(shí)流入或流出時(shí)，若產(chǎn)生的磁通相互增強(qiáng)，則這兩個(gè)對(duì)應(yīng)端子稱為兩互感線圈的同名端，用小圓點(diǎn)或星號(hào)等符號(hào)標(biāo)記。 例如圖 4 中線圈 1 和線圈 2 用小圓點(diǎn)標(biāo)示的端子為同名端，當(dāng)電流從這兩端子同時(shí)流入或流出時(shí)，則互感起相助作用。同理，線圈 1 和線圈 3 用星號(hào)標(biāo)示的端子為同名端。線圈 2 和線圈 3 用三角標(biāo)示的端子為同名端。 圖 4注意：上述圖示說明

8、當(dāng)有多個(gè)線圈之間存在互感作用時(shí)，同名端必須兩兩線圈分別標(biāo)定。 根據(jù)同名端的定義可以得出確定同名端的方法為： (1) 當(dāng)兩個(gè)線圈中電流同時(shí)流入或流出同名端時(shí)，兩個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將相互增強(qiáng)。 (2) 當(dāng)隨時(shí)間增大的時(shí)變電流從一線圈的一端流入時(shí)，將會(huì)引起另一線圈相應(yīng)同名端的電位升高。4.兩線圈同名端的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)線路如圖 5 所示，當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，線圈 1 中流入星號(hào)一端的電流 i 增加，在線圈 2 的星號(hào)一端產(chǎn)生互感電壓的正極，則電壓表正偏。 圖 5 有了同名端，以后表示兩個(gè)線圈相互作用，就不再考慮實(shí)際繞向，而只畫出同名端及電流和電壓的參考方向即可，如圖 6 所示。根據(jù)標(biāo)定的同名端和電流、電

9、壓參考方向可知： 圖 6 （ a ） 圖 6（ b ） （ a ）圖 （ b ）圖 諧振是正弦電路在特定條件下所產(chǎn)生的一種特殊物理現(xiàn)象，諧振現(xiàn)象在無線電和電工技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)電路中諧振現(xiàn)象的研究有重要的實(shí)際意義。5.諧振的定義 含有 R、L、C 的一端口電路，外施正弦激勵(lì)，在特定條件下出現(xiàn)端口電壓、電流同相位的現(xiàn)象時(shí)，稱電路發(fā)生了諧振。因此諧振電路的端口電壓、電流滿足： 串聯(lián)諧振的條件圖 7圖 7 所示的 R、L、C 串聯(lián)電路發(fā)生諧振時(shí)稱串聯(lián)諧振。電路的輸入阻抗為： 根據(jù)諧振定義，當(dāng)時(shí)電路發(fā)生諧振，由此得 R、L、C 串聯(lián)電路的諧振條件是 諧振角頻率為：， 諧振頻率為： 上式說明R、L、

10、C串聯(lián)電路的諧振頻率僅由電路的參數(shù)決定，因此諧振頻率又稱固有頻率。 由諧振條件得串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)諧振或避免諧振的方式為： （1） L、C 不變，改變 達(dá)到諧振。 （2） 電源頻率不變，改變 L 或 C ( 常改變 C ) 達(dá)到諧振。6. R、L、C 串聯(lián)電路諧振時(shí)的特點(diǎn)（1） 諧振時(shí)電路端口電壓 和端口電流 同相位；（2）諧振時(shí)入端阻抗 Z = R 為純電阻，圖8為復(fù)平面上表示的|Z|隨 變化的圖形，可以看出諧振時(shí)抗值 |Z| 最小，因此電路中的電流達(dá)到最大。圖 8（3）諧振時(shí)電感電壓和電容電壓分別為： 上式表明L、C上的電壓大小相等，相位相反，如圖9所示，串聯(lián)總電壓，LC 相當(dāng)于短路，所以串聯(lián)諧

11、振也稱電壓諧振，此時(shí)電源電壓全部加在電阻上，即。 圖 9（4）諧振時(shí)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象 電感電壓和電容電壓表示式中的 Q 稱為品質(zhì)因數(shù)，有 如果Q1，則有當(dāng)Q 1時(shí)，電感和電容兩端出現(xiàn)大大高于電源電壓 U 的高電壓，稱為過電壓現(xiàn)象。（5） 諧振時(shí)的功率 有功功率為： P = UIcos UI 即電源向電路輸送電阻消耗的功率，電阻功率達(dá)最大。 無功功率為： 其中 即電源不向電路輸送無功，電感中的無功與電容中的無功大小相等，互相補(bǔ)償，彼此進(jìn)行能量交換。如圖 10 所示。 圖 10 （6）諧振時(shí)的能量關(guān)系 設(shè)電源電壓 則電流 電容電壓 電容儲(chǔ)能 電感儲(chǔ)能 以上表明： 1）電感和電容能量按正弦規(guī)律變化，且

12、最大值相等，即 WLm = WCm 。L、C 的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量作周期振蕩性的能量交換，而不與電源進(jìn)行能量交換。 2）總能量是常量，不隨時(shí)間變化，正好等于最大值，即 電感、電容儲(chǔ)能的總值與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系為： 即品質(zhì)因數(shù) Q 是反映諧振回路中電磁振蕩程度的量，品質(zhì)因數(shù)越大，總的能量就越大，維持一定量的振蕩所消耗的能量愈小，振蕩程度就越劇烈。則振蕩電路的“品質(zhì)”愈好。一般應(yīng)用于諧振狀態(tài)的電路希望盡可能提高 Q 值。7. RLC 串聯(lián)諧振電路的諧振曲線和選擇性 物理量與頻率關(guān)系的圖形稱諧振曲線，研究諧振曲線可以加深對(duì)諧振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。（1）阻抗的頻率特性 串聯(lián)阻抗 其中（阻抗幅頻特性） （阻抗相頻特

13、性） 圖 11（a）給出了阻抗幅頻特性曲線，（b）給出了阻抗相頻特性曲線。 圖 11 （a） （b） （2） 電流諧振曲線 電流幅值與頻率的關(guān)系為： 得電流諧振曲線如圖 12 所示。 從電流諧振曲線看出諧振時(shí)電流達(dá)到最大，當(dāng) 偏離0 時(shí)，電流從最大值 U/R 下降，即：串聯(lián)諧振電路對(duì)不同頻率的信號(hào)有不同的響應(yīng)，對(duì)諧振信號(hào)最突出(表現(xiàn)為電流最大)，而對(duì)遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)加以抑制(電流小)。這種對(duì)不同輸入信號(hào)的選擇能力稱為“選擇性”。 如圖 12 為了不同諧振回路之間進(jìn)行比較，把電流諧振曲線的橫、縱坐標(biāo)分別除以0和I(0)，即 得 所以 由上式得通用諧振曲線如圖13所示。顯然Q 越大，諧振曲線越尖

14、。當(dāng)稍微偏離諧振點(diǎn)時(shí)，曲線就急劇下降，電路對(duì)非諧振頻率下的電流具有較強(qiáng)的抑制能力，所以選擇性好。因此，Q是反映諧振電路性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。 根據(jù)聲學(xué)研究，如信號(hào)功率不低于原有最大值一半，人的聽覺辨別不出。圖 13 在通用諧振曲線 處作一水平線，與每一諧振曲線交于兩點(diǎn)，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)分別為，稱半功率點(diǎn)，有 把 稱為通頻帶，通頻帶規(guī)定了諧振電路允許通過信號(hào)的頻率范圍。是比較和設(shè)計(jì)諧振電路的指標(biāo)?？梢宰C明 Q 與通頻帶的關(guān)系為： （3） UL() 與 UC() 的頻率特性 因?yàn)?它們的曲線如圖 14 所示。 可以證明當(dāng)時(shí)，UL()與UC()獲最大值，峰值的頻率為： 峰值為 Q 越高，峰值頻率越靠近諧振頻

15、率。圖 14聯(lián)電路的諧振8. G、C、L 并聯(lián)電路 圖 15 當(dāng)圖15所示的 G、C、L 并聯(lián)電路發(fā)生諧振時(shí)稱并聯(lián)諧振 ，并聯(lián)電路的入端導(dǎo)納為： 諧振時(shí)應(yīng)滿足 諧振角頻率 采取與串聯(lián)諧振電路同樣的分析方法得并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)為： （1）諧振時(shí)電路端口電壓 和端口電流 同相位； （2）諧振時(shí)入端導(dǎo)納 Y = G 為純電導(dǎo)，導(dǎo)納 |Y | 最小，如圖16所示，因此電路中的電壓達(dá)到最大。如圖17所示。 圖 16 圖 17圖 18 (3) 諧振時(shí)電感電流和電容電流分別為： 式表明 L、C 上的電流大小相等，相位相反，如圖18所示，并聯(lián)總電流 ， LC 相當(dāng)于開路，所以并聯(lián)諧振也稱電流諧振，此時(shí)電源電流

16、全部通過電導(dǎo)，即 。 (4) 諧振時(shí)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象 電感電流和電容電流表示式中的 Q 稱為并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)，有 如果 Q 1 ，則有 當(dāng) Q 1 時(shí)， 電感和電容中出現(xiàn)大大高于電源電流的大電流，稱為過電流現(xiàn)象。 (5) 諧振時(shí)的功率 有功功率為： 即電源向電路輸送電阻消耗的功率，電阻功率達(dá)最大。 無功功率為： 即電源不向電路輸送無功，電感中的無功與電容中的無功大小相等，互相補(bǔ)償，彼此進(jìn)行能量交換。兩種能量的總合為常量： 9. 電感線圈與電容器的并聯(lián)諧振 實(shí)際的電感線圈總是存在電阻，因此當(dāng)電感線圈與電容器并聯(lián)時(shí)，電路如圖 19 所示。 圖 19圖 20（1）諧振條件 電路的入端導(dǎo)納為： 諧振時(shí)

17、 B =0 ，即 諧振角頻率 圖 21 上式說明該電路發(fā)生諧振是有條件的，在電路參數(shù)一定時(shí)，必須滿足 考慮到一般線圈電阻 RL ，則等效導(dǎo)納近似為： 諧振角頻率近似為 電路的等效電阻為： 等效電路如圖 20 所示。電路的品質(zhì)因數(shù)為： （2）諧振特點(diǎn) 1) 電路發(fā)生諧振時(shí)，輸入阻抗很大 2) 電流一定時(shí)，總電壓較高 3) 支路電流是總電流的 Q 倍，相量圖如圖 21 所示。設(shè)RL 二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)2.2方案設(shè)計(jì)與論證2.2.1發(fā)射模塊 方案一：采用自激式振蕩，在放大器的輸入端不加輸入信號(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，元器件少，穩(wěn)定性能好，成本低；缺點(diǎn)：效率偏低

18、方案二：采用它激式振蕩，完全依賴于外部維持振蕩。優(yōu)點(diǎn)：集成度高將復(fù)雜的多元件集成到一個(gè)芯片當(dāng)中；缺點(diǎn)：它激電路因電路形式比較復(fù)雜，用分離元件來實(shí)現(xiàn)比較困難，元器件比較多，成本較高 綜上所述：發(fā)射模塊采用方案一，實(shí)物圖見附錄。2.2.2發(fā)射與接收的原理及裝置 方案一：采用常見變壓器耦合，優(yōu)點(diǎn)：由于是完全耦合的，故變壓器效率較高；缺點(diǎn)：制作元件多，制作時(shí)間長(zhǎng)，介質(zhì)為空氣 方案二：采用磁耦合無線傳輸 優(yōu)點(diǎn)：元件簡(jiǎn)單方便，器件較少，性價(jià)比高，易于制作 缺點(diǎn)：部分耦合，具有剩磁，效率沒有變壓器耦合效率高 綜上所述，發(fā)射與接收裝置選擇方案一，實(shí)物見附錄對(duì)于發(fā)射線圈的選擇，方案一：用銅管（空心）繞方案二：用

19、這種漆包線繞經(jīng)測(cè)試方案一能達(dá)到比較好的2.2.3接收模塊 方案一：采用半波整流，由一個(gè)二級(jí)管構(gòu)成 優(yōu)點(diǎn)：制作方便，操作簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：整流效果較低 方案二：采用橋式整流有四個(gè)二級(jí)管構(gòu)成的 一個(gè)整流電路，電壓提供可以式一組交流電源輸出為全波的脈動(dòng)直流電。優(yōu)點(diǎn)：只需要四個(gè)二極管，成本低，比較方便且整流效果好 綜上所述，接收模塊選擇方案二，實(shí)物見附錄 三、硬件理論分析和計(jì)算磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置包括兩個(gè)部分，分別為發(fā)射電路和接收電路。3.1發(fā)射電路理論分析 圖一：發(fā)射電路電路圖發(fā)射電路電路圖如圖1所示，RL1為一個(gè)繼電器主要由兩個(gè)MOS來驅(qū)動(dòng)；電容C3-C7分別作為5個(gè)諧振電容與發(fā)射線圈組成諧振電

20、路，在這種條件下，無線傳輸效率值最大。R2、R3以為起到分流、散熱作用。故用耐壓耐熱的繞線電阻連接。接通15V直流電壓，將開關(guān)閉合，磁環(huán)線圈L1、L2產(chǎn)生自激震蕩通過裝置將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)，再通過電容C3-C7與發(fā)射線圈組成的諧振電路使信號(hào)的傳輸效率值最大。 3.2接收整流逆變電路原理圖 圖二：接收電路電路圖接收電路電路圖如圖二所示： L1,L2為接收線圈，C1、C3、C4、C5為電容，4個(gè)高速二極管構(gòu)成整流橋。當(dāng)發(fā)射電路開關(guān)為接通時(shí)，通過磁耦合諧振接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接收線圈與C1、C3、C4、C5電容構(gòu)成諧振電路，使傳輸效率最高，通過整流橋整流后得到最終的正向交流信號(hào)，

21、LED小燈點(diǎn)亮.四、測(cè)試結(jié)果與誤差分析四、測(cè)試結(jié)果與誤差分析磁環(huán)電感（nf）電容(pf)耦合電壓值（v）330500001.49330330001.43330250000.047330450002.24500500006.57500330002500800000.7500470003.3 磁環(huán)電感和電容對(duì)偶電壓的影響磁環(huán)電感（H）發(fā)射線圈諧振電容（nf）發(fā)射端產(chǎn)生正弦波頻率（kHz）電壓(v)波形質(zhì)量30050912.413.4質(zhì)量一般305090913.9 一般10 無30010067711.2 很一般301006758 很一般101008002.5 好30033100014 一般3033108014.2 很一般1033108012.8