开题报告谐振式无线电能传输系统设计.doc

毕业设计（论文）开题报告题目 谐振式无线电能传输系统设计 学生姓名 学号 专业 电气工程及其自动化 班级 指导教师 评阅教师 完成日期 年月日 10 10磁耦合谐振式无线电能传输系统设计 学 生：万志 指导教师：王强 （三峡大学国际文化交流学院） 1课题来源 本课题为磁耦合谐振式无线电能传输课题。早在1893年，美国科学家尼古拉.特斯拉（Nikola Tesla）就成功利用无线充电技术点亮了一盏磷光照明灯，后来，相继有微波式无线电能传输系统和磁耦合式无线电能传输系统，但直到2007年磁耦合谐振式无线电能传输的概念才被首先提出来。 2 研究的目的和意义 2.1民用产品由于无线电能传输系统不需要在设备与电源之间使用硬件接口，因此同一个电源可以给各种不同的用电设备充电。这样的话，只要有无线电能供电设备的地方，消费者就可以随时给自己的设备充电。就像我们只要到了有WIFI热点的地方就能够快速上网一样。因此，无线电能传输系统的应用将极大的增加电子设备的续航能力。应用了无线电能传输系统，设备的外壳可以做成全封闭的，这将增加电子产品的耐用性，安全性和美观性。另外，无线电能传输系统的使用将使得家庭中不再需要插座，布线。一个无线电能供电桩就可以满足全家人的用电需求。这对于增加用电的安全性和节约资源具有重大意义。2.2工程以及军事如果大功率，远距离，高效率的无线电能传输系统研究成功，偏远地区，地震灾区的供电将不再是问题，并且也可以减少供电施工人员的劳动强度，保护自然环境。由于接口的统一，国家的电网系统将更加坚强可靠。大型发电厂，微型发电站，家庭太阳能或风能发电站之间的能量传输将更加灵活和可靠，降低突发事件下的大面积停电风险。战时，对于需要紧急电能支援的地区，可以使用大型飞机装载无线电能供给装置实现能量的供给。由于实现了能量的无线供给，各种微型侦察设备可以做得更加小，不间断工作，为情报收集提供了极大的便利。 3 国内外的研究现状和发展趋势3.1各种无线电能传输原理的分类与介绍微波式无线电能传输(Wireless Power transmission via Microwave).微波式无线电能传输技术是将电能转化为微波，让微波在自由空间中传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供直流供电的技术。由于微波传输过程中其能量在空气中的衰减较大，目前微波式无线电能传输系统已被实验证实的最大总效率仅为54%，远不能达到商用的要求。但是微波式无线电能传输技术最显著的优点就是传输距离非常远，在宇宙空间中的应用前景非常可观。激光式无线电能传输(Wireless Power transmission via laser)。激光方向性强、能量集中,利用激光可以携带大量的能量,可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于,所需的传输和接收设备是微波所需的1/10,不存在干扰通信卫星的风险使用微波却存在这种问题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换,使用激光不能像微波那样可以闯过云层,射束能量可能会在中途丧失约一半。电场耦合式无线电能传输（Electrical-field coupled power transfer，ECPT）。电场耦合式,或者称电容辅合式,主要是利用电源侧和负载侧之间的电容的电场来进行能量的传输。充电时，设备的位置具备一定的自由度，而且电极可以做得很薄，温升较低，更易于嵌入集成。首先在位置方面，虽然它在距离上无法达到磁谐振无线电能传输系统的数米长度，但在水平方向上具有较大的自由度，用户可以将终端随意放在充电台上就能够正常充电。磁场耦合式无线电能传输(magnetically-coupled inductive wireless power transfer，MCI-WPT)。其根本原理是利用电磁感应原理，类似于变压器，在发送端和接收端各有一个线圈，初级线圈上通一定频率的交流电。由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。磁场耦合式无线电能传输具有传输功率大，效率高的优点。功率轻松达到KW等级，在近程传输时效率可到90%以上，但是仅限于毫米级别。当传输距离增大时，其传输功率和效率都会急剧下降。发射线圈与接收线圈之间需要严格的对其，线圈间的横向偏差同样也会导致无线传输效率的大幅下降。由于接收线圈与发射线圈的距离非常近，在进行大功率传输时的扇热问题也将影响各元器件的工作状态，从而降低传输效率。目前，市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合总部位于美国的业界团体“无线充电联盟（WPC）”所制定的“Qi”规格。Qi采用的是“电磁感应方式”。通过实现标准化，只要是带有Qi标志的产品，无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。但是其最大传输功率限制在5W以内，因此限制了该标准的进一步应用。 磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)。MIT隔空无线点灯实验所使用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，则是现在最被看好、被认为是最有希望广泛应用于各种日常电气设备中的一种方式。根据Science报道,MIT物理学助教授马林索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置,可以点亮60W电灯泡，传输距离有2.1米远,平均效率可达到40%。他们利用的是一种全新的无线供电技术非辐射电磁能谐振隧道效应,称作“Witricity”无线供电技术。采用“不发出电磁波的天线(Wireless Non-radiative Power Transfer)”实现非幅射共振能量传输。MIT的研究者用两个直径60cm的特殊铜线圈做实验,作为送电方的一个线圈接在电源上,作为受电方的另一个线圈置于2m外并连接一个灯泡。当送电方的接通电源后,两个线圈都以10兆赫兹的频率振动,从而产生强大的电磁场,通过“电振”电能被传递了,隔空供电使灯泡发光。在电源与灯泡中间放置木料、金属或其他电器等,灯泡仍会发亮。直流共振式无线电能传输(Direct Current Resonant wireless power transfer)。直流共振方式是将直流的电能转变为电磁场能源，是利用叫做“电磁场共振场 (Electromagnetic Resonance Field) ”的新物理现象的电力传输的新技术。由于是从直流电源形成直接共振场之故，因此能够提高能源的变化效率。同时也能够减少传输电力时变换电力的次数，从而达到简单化和高电力效率。更加上通过扩大共振场，将能够期待应用于各种各样的场面。超声波式无线电能传输(Wireless Power transmission via Super wave)。超声波无线输电方式，属于中短距 离输电，它具 有方向性强，能量易于集中、可在各种媒质中传播且 无电磁干扰等优点。目前超声波基本上都是利用压电效应法产生 的，具有工作频率宽(从 20kHz 到数 MHz)、功率容 量大(可达几 KW)等特点。并且压电材料具有逆压电效应，可方便地将超声波转换成电能。但是其吸收超声波的效果不够好，并且转换成电能的效率较低。3.2无线电能传输的实际应用交通运输领域在交通运输领域采用的是ICPT技术，主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置中。美国工业协会将电动汽车的感应式充电系统按功率分为3类：用于应急的小功率充电器，功率等级为13kW；中等功率充电器，功率等级为525kW，完成充电需48h；快速充电器/柜，功率等级为75300kW。 挪威的Parkon公司正在研发基于ICPT技术的专用充电装置。该装置通过线性光学定位系统，引导驾驶员将车身上的充电插座对准固定的充电器插头，利用汽车自身的动力，将充电器的插头和插座牢牢地连接起来。ICPT技术的难点在于能量的传输定位以及如何提高系统效率。新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将ICPT技术成功应用于Rotorua国家地热公园的30kW旅客电动运输车。20世纪90年代后期，日本、德国等国家也开始从事ICPT的研究和实用化产品开发，获得了一定的技术突破和相应的实用产品，如日本大阪富库公司的单轨型车和无电瓶运货车、德国奥姆富尔（Wampeler） 公司的150 kW载人电动火车，轨道长度达400m，气隙为120mm，是迄今为止建造的最大的ICPT系统。消费类电子产品领域2010年，在第43届美国国际消费类电子产品展览会（CES）上，中国的海尔公司发布了首款“无尾电视”。 无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在2010年的时候推出了Qi标准，至今WPC的成员已经超过了100多家，包括许多著名的手机厂商、芯片制造商和无线运营商。2012年11月，诺基亚推出了lumia920智能手机，符合Qi标准。同年12月19号，丰田汽车宣布将在Toyota Avalon 2013款新车上内置符合Qi标准的无线充电发射器。另外，麦当劳欧洲门店也宣布将布置PowerKiss无线充电技术，为顾客的手机提供充电服务。英特尔公司正在尝试将微波式无线电能传输技术应用于自己的超极本和“Atom Z”系列X86智能手机平台。这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。微波的频率在300MHz300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。3.3无线电能传输的未来展望未来无线电能传输技术将会大规模运用。目前，TI公司已经推出了bq500系列芯片，专用于无线电能传输方面。该芯片体积小，效率高，解决方案成熟，可以方便的嵌入到各种智能手机以及家用智能设备上。因此，在未来五年内，我们将会看到越来越多的可无线充电设备出现在我们周围。但是，近几年的大规模应用可能仅仅会集中在小功率，近程传输范围内。一方面是因为目前的技术水平还达不到在远距离上进行高效率的无线电能传输，另外，人类至今还无法提供科学的临床证据来解释电场与磁场将会如何影响人类的健康。4 研究的主要内容及设计成果的应用价值4.1磁耦合谐振式无线电能传输系统解决方案的的实现物理实现一个四线圈结构的无线电能传输系统，具有参数显示和调整功能，能够实时看到发送端的的输入电压、电流和输入功率已经接收端的输出电压、电流和输出功率等信息，并进一步得到系统的平均效率。使用stm32f103微控制器进行嵌入式系统的设计，产生系统的驱动频率信号，实现各种电气信号的采集，计算与显示。UCC27210 MOS管驱动器方案4.2对不同距离，不同谐振频率下的系统传输效率进行验证与分析根据参考文献【1】可知，在磁耦合谐振系统中，当传输距离 减小到一定的程度后，随着距离的减小，原谐振频率处的效率却随之减小。而增大或减小系统供电频率可以提高效率。这一现象表明谐振系统的频率在近距离时发生了分裂。4.3对有中继线圈和接收线圈自由移动情况下的传输效率进行表格分析根据参考文献【1】可知，增加 1 个中继谐振线圈能在很大的程度上提高系统的传输效率，并且由于磁路弯曲，在一定的效率范围内，接收线圈将具有更大的自由度。4.4对多个接收线圈情况下的传输效率进行综合分析根据参考文献【15】可知，在多个接收线圈的情况下，由于接收线圈之间的互感影响，将使得系统的总效率不会出现在谐振频率处。4.3应用价值家用方面。由于磁谐振式无线电能传输系统的传输距离可以达到几米，因此，在家庭方面有望实现对各种小功率甚至中等功率的电子设备集中充电。就像如今的笔记本、智能手机、智能电视已经可穿戴设备能够统一接入家用wifi无先路由器联网使用一样，未来家中的各种电子设备有望通过连接到统一的家用无线充电柱上进行无线充电。但是，就目前的研究成果来看，此系统在小型化，高效率方面还需要更大的改进。在电动汽车，包括私家车，公交车方面。利用磁谐振式无线电能充电系统后，能够使得电动车在停车场停车的时候自动充电。一方面可以有效保障电动车的续航能力，减轻对电池容量的依赖，另一方面，由于停车场实现的是一对多的充电方式，实现了电能的集中供给，提高了充电效率也便于停车场的收费管理。在物联网方面。物联网是：利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。由于需要保证物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都具有个性化和私有化，因此物联网中所有的元素都需要实现方便的能量供给。举个例子:一批桌子通过物联网从A省转运到B省，桌子上面必须含有检测时间，桌子位置以及联网的小型电子监控设备。此设备如果使用普通的电池供电方式，当电池电量不足的时候，电子监控设备将不能够运行继而导致无法对桌子进行监控。如果对物联网设备实现无线电能供给，只要仓库和运输车辆中安装有集中供电的无线电能充电器，桌子将时刻处于被监控状态。并且，对于下一批货物，比如化肥或者牛肉，在不更换充电器的情况下就能进行实时监控。4.4 创新点首次实现利用stm32处理器实现无线电能传输系统，便于将来无线电能传输系统的小型化与智能化。 5工作的主要阶段、进度（1）2014年秋季学期第17周前国际文化交流学院学生选课题。（2）2014年秋季学期第18周教学办将学生名单发指导教师，指导教师上交毕业设计（论文）任务书，教学办盖章后返给指导教师，指导教师与毕业生见面，下发任务书并布置毕业设计（论文）任务。（按规范完成开题报告、外文翻译。开题报告的正文撰写要求字数不得少于2500字，参考文献（含外文资料）15篇以上。外文翻译，外文资料必须由指导教师指定，且应与课题相关；外文翻译应有出处；按外文在上、译文在下装订。）（3）2015年春季学期第1周完成外文翻译和开题报告两项成果，上交指导教师。（4）2015年春季学期第2周2015年3月13日前，指导教师将批阅后的外文翻译和开题报告二项成果上交教学办公室（应有批阅痕迹并给出成绩）。（5）2015年春季学期第2周到第3周例行教学检查。对外文翻译和开题报告的完成情况及写作规范进行全面检查（各教学单位自查、学院检查），并将检查结果反馈给指导教师，由指导教师督促学生修改。（6）2015年春季学期第13周（2015年5月31日前完成）学生应提交毕业设计（论文）成果说明书。（包括纸质文本和电子文本）及3000汉字的小论文（含图、小4号字、A4纸5个页码以内，仅上交电子文本。）（7）2015年春季学期第14周由指导教师按规范要求对学生毕业设计（论文）进行形式审查，批阅成果，写出评语（60个字以上）评语中要求明确写明有无抄袭、有无自己的观点等核心内容，按百分制计成绩，后交答辩组长。（8）2015年春季学期第15周6月8日毕业答辩。教学办组织人员对毕业设计（论文）成果进行全面检查。做好申报优秀毕业设计（论文）的前期准备工作。（9）2015年春季学期第15周到第18周2015年6月8日前正常的毕业答辩工作结束，各答辩组长将毕业设计（论文）单科成绩报表、毕业设计答辩安排表、申报优秀毕业设计（论文）奖的学生名单及申请表交教学办公室。2015年7月5日安排二次答辩（补答辩）。 6最终目标及完成时间完成无线电能传输系统的硬件设计与制作，达到系统能够正常工作，各项数据能够正确测量的目标。完成时间：第15周 7现有条件及必须采取的措施现有软件：Altium Designer Winter 09、MATLAB 2010、 CAJViewer7.2，设备，可以完成无线电能传输的研究与设计。在设计中必须采取适当的保护措施。 8协助单位及要解决的主要问题 本课题的完成应解决技术问题，同时，需要得到单位的大力支持和帮助。 参 考 文 献 1 赵争鸣，张艺明，陈凯楠. 磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 1000842 Seong-Min Kim, Jung-Ick Moon, In-Kui Cho, Jae-Hoon Yoon, Woo-Jin Byun .130W Power Transmitter for Wireless Power Charging using Magnetic Resonance. Electronics and Telecommunication Research Institute 218 Gajeongno, Yuseong-gu, Daej