黑龙江省电子设计大赛----无线电能传输装置.docx

黑龙江电子设计大赛TI杯F题（无线电能传输装置）摘要：无线供电技术是最近几年发展起来的技术，这种供电技术可以透过所有非金属物质来传输电力，磁耦合谐振式无线供电技术可以使供电距离提升到米级的范畴，本论文设计了满足要求的无线电能传输装置的发射电路和接收电路，同时介绍了电路中所设计模块的工作原理及功能，根据设计制作出了无线电能传输装置。通过改变谐振线圈的电容，电感，线宽等自身参数以及驱动信号源信号频率，驱动电压等外界参数可调节接收端输出特性。关键词：磁耦合谐振式，无线电能传输，距离传输特性引言：目前，无线充电技术经过上百年的发展，已经从理论研究迈向了实际应用的阶段，市面上已有的产品遍及生活和工业的各个领域，自从美国麻省理工学院于2007年发表其研究成果后,磁耦合谐振式无线电能传输技术就成为了研究热点问题。 磁耦合谐振式无线电能传输技术在继承了可远距离传输的电磁波式和近距离传输的电磁感应式无线电呢过传输技术优点的同时，又克服了其不足。传输距离方面：电磁波式传输距离最远，电磁感应式传输距离最短。磁耦合谐振式传输距离适中，介于两者之间，在保证高效率的同时，突破了电磁感应式厘米、毫米等级限制；传输效率及功率方面：电磁波式因远距离传输在空气中损耗严重而效率较低，对应的传输功率也相对较低；电磁感应在毫、厘米距离范围内，传输效率较高，传输效率可达到千瓦级；磁耦合谐振式传输效率稍低于电磁感应式，功率在瓦至百瓦级，甚至更高；对周围环境的影响：大功率的电磁波式无线电能传输因空间中电磁波辐射，会对其周围环境产生较大影响；电磁感应式近似一个变压器的松耦合，对周围的环境影响较小；磁耦合谐振式是一种非辐射性耦合，在近场区内，仅对与其谐振频率相匹配的物体产生强耦合作用，而偏离谐振的物体影响则很弱。 一、方案论证与设计 1.1设计任务及要求1.1.1基本任务制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。图1 电能无线传输装置结构框图1.1.2基本要求 （1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U28 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率。（45分） （2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（45分）1.2系统基本方案选择和论证系统基本原理 载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。耦合电感元件属于多端元件，在实际电路中，如收音机、电视机中的中周线圈、振荡线圈，整流电源里使用的变压器等都是耦合电感元件，熟悉这类多端元件的特性，掌握包含这类多端元件的电路问题的分析方法是非常必要的。1. 互感 图 3两个靠得很近的电感线圈之间有磁的耦合，如图3所示，当线圈1中通电流i1时，不仅在线圈1中产生磁通11，同时，有部分磁通21穿过临近线圈2，同理，若在线圈2中通电流i2 时，不仅在线圈2中产生磁通22，同时，有部分磁通12穿过线圈1，12和21称为互感磁通。定义互磁链： 12 = N112 21 = N221 当周围空间是各向同性的线性磁介质时，磁通链与产生它的施感电流成正比，即有自感磁通链： 互感磁通链： 上式中 M12 和 M21 称为 互感系数，单位为（H）。 当两个线圈都有电流时，每一线圈的磁链为自磁链与互磁链的代数和： 需要指出的是： ）M 值与线圈的形状、几何位置、空间媒质有关，与线圈中的电流无关，因此，满足 M 12 =M21 =M ）自感系数 L 总为正值，互感系数 M 值有正有负。正值表示自感磁链与互感磁链方向一致，互感起增助作用，负值表示自感磁链与互感磁链方向相反，互感起削弱作用。 耦合因数 k 与线圈的结构、相互几何位置、空间磁介质有关。2.耦合电感上的电压、电流关系 当电流为时变电流时，磁通也将随时间变化，从而在线圈两端产生感应电压。根据电磁感应定律和楞次定律得每个线圈两端的电压为： 即线圈两端的电压均包含自感电压和互感电压。 在正弦交流电路中，其相量形式的方程为 注意： 当两线圈的自感磁链和互感磁链方向一致时，称为互感的“增助”作用，互感电压取正；否则取负。以上说明互感电压的正、负： （ 1 ）与电流的参考方向有关。 （ 2 ）与线圈的相对位置和绕向有关。3.互感线圈的同名端 由于产生互感电压的电流在另一线圈上，因此，要确定互感电压的符号，就必须知道两个线圈的绕向，这在电路分析中很不方便。为了解决这一问题引入同名端的概念。 同名端: 当两个电流分别从两个线圈的对应端子同时流入或流出时，若产生的磁通相互增强，则这两个对应端子称为两互感线圈的同名端，用小圆点或星号等符号标记。 例如图 4 中线圈 1 和线圈 2 用小圆点标示的端子为同名端，当电流从这两端子同时流入或流出时，则互感起相助作用。同理，线圈 1 和线圈 3 用星号标示的端子为同名端。线圈 2 和线圈 3 用三角标示的端子为同名端。 图 4注意：上述图示说明当有多个线圈之间存在互感作用时，同名端必须两两线圈分别标定。 根据同名端的定义可以得出确定同名端的方法为： (1) 当两个线圈中电流同时流入或流出同名端时，两个电流产生的磁场将相互增强。 (2) 当随时间增大的时变电流从一线圈的一端流入时，将会引起另一线圈相应同名端的电位升高。4.两线圈同名端的实验测定：实验线路如图 5 所示，当开关 S 闭合时，线圈 1 中流入星号一端的电流 i 增加，在线圈 2 的星号一端产生互感电压的正极，则电压表正偏。 图 5 有了同名端，以后表示两个线圈相互作用，就不再考虑实际绕向，而只画出同名端及电流和电压的参考方向即可，如图 6 所示。根据标定的同名端和电流、电压参考方向可知： 图 6 （ a ） 图 6（ b ） （ a ）图 （ b ）图 谐振是正弦电路在特定条件下所产生的一种特殊物理现象，谐振现象在无线电和电工技术中得到广泛应用，对电路中谐振现象的研究有重要的实际意义。5.谐振的定义 含有 R、L、C 的一端口电路，外施正弦激励，在特定条件下出现端口电压、电流同相位的现象时，称电路发生了谐振。因此谐振电路的端口电压、电流满足： 串联谐振的条件图 7图 7 所示的 R、L、C 串联电路发生谐振时称串联谐振。电路的输入阻抗为： 根据谐振定义，当时电路发生谐振，由此得 R、L、C 串联电路的谐振条件是 谐振角频率为：， 谐振频率为： 上式说明R、L、C串联电路的谐振频率仅由电路的参数决定，因此谐振频率又称固有频率。 由谐振条件得串联电路实现谐振或避免谐振的方式为： （1） L、C 不变，改变 达到谐振。 （2） 电源频率不变，改变 L 或 C ( 常改变 C ) 达到谐振。6. R、L、C 串联电路谐振时的特点（1） 谐振时电路端口电压 和端口电流 同相位；（2）谐振时入端阻抗 Z = R 为纯电阻，图8为复平面上表示的|Z|随 变化的图形，可以看出谐振时抗值 |Z| 最小，因此电路中的电流达到最大。图 8（3）谐振时电感电压和电容电压分别为： 上式表明L、C上的电压大小相等，相位相反，如图9所示，串联总电压，LC 相当于短路，所以串联谐振也称电压谐振，此时电源电压全部加在电阻上，即。 图 9（4）谐振时出现过电压现象 电感电压和电容电压表示式中的 Q 称为品质因数，有 如果Q1，则有当Q 1时，电感和电容两端出现大大高于电源电压 U 的高电压，称为过电压现象。（5） 谐振时的功率 有功功率为： P = UIcos UI 即电源向电路输送电阻消耗的功率，电阻功率达最大。 无功功率为： 其中 即电源不向电路输送无功，电感中的无功与电容中的无功大小相等，互相补偿，彼此进行能量交换。如图 10 所示。 图 10 （6）谐振时的能量关系 设电源电压 则电流 电容电压 电容储能 电感储能 以上表明： 1）电感和电容能量按正弦规律变化，且最大值相等，即 WLm = WCm 。L、C 的电场能量和磁场能量作周期振荡性的能量交换，而不与电源进行能量交换。 2）总能量是常量，不随时间变化，正好等于最大值，即 电感、电容储能的总值与品质因数的关系为： 即品质因数 Q 是反映谐振回路中电磁振荡程度的量，品质因数越大，总的能量就越大，维持一定量的振荡所消耗的能量愈小，振荡程度就越剧烈。则振荡电路的“品质”愈好。一般应用于谐振状态的电路希望尽可能提高 Q 值。7. RLC 串联谐振电路的谐振曲线和选择性 物理量与频率关系的图形称谐振曲线，研究谐振曲线可以加深对谐振现象的认识。（1）阻抗的频率特性 串联阻抗 其中（阻抗幅频特性） （阻抗相频特性） 图 11（a）给出了阻抗幅频特性曲线，（b）给出了阻抗相频特性曲线。 图 11 （a） （b） （2） 电流谐振曲线 电流幅值与频率的关系为： 得电流谐振曲线如图 12 所示。 从电流谐振曲线看出谐振时电流达到最大，当 偏离0 时，电流从最大值 U/R 下降，即：串联谐振电路对不同频率的信号有不同的响应，对谐振信号最突出(表现为电流最大)，而对远离谐振频率的信号加以抑制(电流小)。这种对不同输入信号的选择能力称为“选择性”。 如图 12 为了不同谐振回路之间进行比较，把电流谐振曲线的横、纵坐标分别除以0和I(0)，即 得 所以 由上式得通用谐振曲线如图13所示。显然Q 越大，谐振曲线越尖。当稍微偏离谐振点时，曲线就急剧下降，电路对非谐振频率下的电流具有较强的抑制能力，所以选择性好。因此，Q是反映谐振电路性质的一个重要指标。 根据声学研究，如信号功率不低于原有最大值一半，人的听觉辨别不出。图 13 在通用谐振曲线 处作一水平线，与每一谐振曲线交于两点，对应横坐标分别为，称半功率点，有 把 称为通频带，通频带规定了谐振电路允许通过信号的频率范围。是比较和设计谐振电路的指标。可以证明 Q 与通频带的关系为： （3） UL() 与 UC() 的频率特性 因为 它们的曲线如图 14 所示。 可以证明当时，UL()与UC()获最大值，峰值的频率为： 峰值为 Q 越高，峰值频率越靠近谐振频率。图 14联电路的谐振8. G、C、L 并联电路 图 15 当图15所示的 G、C、L 并联电路发生谐振时称并联谐振 ，并联电路的入端导纳为： 谐振时应满足 谐振角频率 采取与串联谐振电路同样的分析方法得并联谐振电路的特点为： （1）谐振时电路端口电压 和端口电流 同相位； （2）谐振时入端导纳 Y = G 为纯电导，导纳 |Y | 最小，如图16所示，因此电路中的电压达到最大。如图17所示。 图 16 图 17图 18 (3) 谐振时电感电流和电容电流分别为： 式表明 L、C 上的电流大小相等，相位相反，如图18所示，并联总电流 ， LC 相当于开路，所以并联谐振也称电流谐振，此时电源电流全部通过电导，即 。 (4) 谐振时出现过电流现象 电感电流和电容电流表示式中的 Q 称为并联电路的品质因数，有 如果 Q 1 ，则有 当 Q 1 时， 电感和电容中出现大大高于电源电流的大电流，称为过电流现象。 (5) 谐振时的功率 有功功率为： 即电源向电路输送电阻消耗的功率，电阻功率达最大。 无功功率为： 即电源不向电路输送无功，电感中的无功与电容中的无功大小相等，互相补偿，彼此进行能量交换。两种能量的总合为常量： 9. 电感线圈与电容器的并联谐振 实际的电感线圈总是存在电阻，因此当电感线圈与电容器并联时，电路如图 19 所示。 图 19图 20（1）谐振条件 电路的入端导纳为： 谐振时 B =0 ，即 谐振角频率 图 21 上式说明该电路发生谐振是有条件的，在电路参数一定时，必须满足 考虑到一般线圈电阻 RL ，则等效导纳近似为： 谐振角频率近似为 电路的等效电阻为： 等效电路如图 20 所示。电路的品质因数为： （2）谐振特点 1) 电路发生谐振时，输入阻抗很大 2) 电流一定时，总电压较高 3) 支路电流是总电流的 Q 倍，相量图如图 21 所示。设RL 二、系统的硬件设计及实现2.2方案设计与论证2.2.1发射模块 方案一：采用自激式振荡，在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号。优点：电路简单，元器件少，稳定性能好，成本低；缺点：效率偏低 方案二：采用它激式振荡，完全依赖于外部维持振荡。优点：集成度高将复杂的多元件集成到一个芯片当中；缺点：它激电路因电路形式比较复杂，用分离元件来实现比较困难，元器件比较多，成本较高 综上所述：发射模块采用方案一，实物图见附录。2.2.2发射与接收的原理及装置 方案一：采用常见变压器耦合，优点：由于是完全耦合的，故变压器效率较高；缺点：制作元件多，制作时间长，介质为空气 方案二：采用磁耦合无线传输 优点：元件简单方便，器件较少，性价比高，易于制作 缺点：部分耦合，具有剩磁，效率没有变压器耦合效率高 综上所述，发射与接收装置选择方案一，实物见附录对于发射线圈的选择，方案一：用铜管（空心）绕方案二：用这种漆包线绕经测试方案一能达到比较好的2.2.3接收模块 方案一：采用半波整流，由一个二级管构成 优点：制作方便，操作简单 缺点：整流效果较低 方案二：采用桥式整流有四个二级管构成的 一个整流电路，电压提供可以式一组交流电源输出为全波的脉动直流电。优点：只需要四个二极管，成本低，比较方便且整流效果好 综上所述，接收模块选择方案二，实物见附录 三、硬件理论分析和计算磁耦合谐振式无线电能传输装置包括两个部分，分别为发射电路和接收电路。3.1发射电路理论分析 图一：发射电路电路图发射电路电路图如图1所示，RL1为一个继电器主要由两个MOS来驱动；电容C3-C7分别作为5个谐振电容与发射线圈组成谐振电路，在这种条件下，无线传输效率值最大。R2、R3以为起到分流、散热作用。故用耐压耐热的绕线电阻连接。接通15V直流电压，将开关闭合，磁环线圈L1、L2产生自激震荡通过装置将直流信号转化为交流信号，再通过电容C3-C7与发射线圈组成的谐振电路使信号的传输效率值最大。 3.2接收整流逆变电路原理图 图二：接收电路电路图接收电路电路图如图二所示： L1,L2为接收线圈，C1、C3、C4、C5为电容，4个高速二极管构成整流桥。当发射电路开关为接通时，通过磁耦合谐振接收线圈产生感应电流与感应电动势，接收线圈与C1、C3、C4、C5电容构成谐振电路，使传输效率最高，通过整流桥整流后得到最终的正向交流信号，LED小灯点亮.四、测试结果与误差分析四、测试结果与误差分析磁环电感（nf）电容(pf)耦合电压值（v）330500001.49330330001.43330250000.047330450002.24500500006.57500330002500800000.7500470003.3 磁环电感和电容对偶电压的影响磁环电感（H）发射线圈谐振电容（nf）发射端产生正弦波频率（kHz）电压(v)波形质量30050912.413.4质量一般305090913.9 一般10 无30010067711.2 很一般301006758 很一般101008002.5 好30033100014 一般3033108014.2 很一般1