（通信与信息系统专业论文）无线能量投射技术的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 无线能量投射技术是一种新型的电能传输技术，它不同于传统供电方式，采 用无线的方式为用电设备提供电能。无线能量投射技术有两大特点：一是用电设 备与供电端完全分离，使用电设备具有良好的安全性、灵活性、密封性、美观性； 二是可以透过所有非金属物质来传输电能，如水、空气、木材、塑料、玻璃、土 壤等，因此可以实现隔物供电。 本文对无线能量投射技术进行研究，包括松耦合变压器的研究、高频逆变技 术的研究，本文设计的无线能量投射系统是以频率控制芯片 sg3524 为控制核心， 驱动芯片采用 ir2110，主电路采用全桥谐振逆变电路，供电端加入有源功率因数 校正电路和 emi 控制，有效的提高了电源系统的功率因数。目前国内探讨无线能 量投射技术时，多半将重点放在系统能量传输效率方面，并没有探讨系统的供电 状态控制与通信，以及供电端对用电设备的检测与定位的相关研究。针对供电状 态控制，本文对待机损耗能量控制的控制方式进行分析，选择了按供电时间接入 的控制方式，有效的减小了空载损耗。其次对信息载荷方式进行探讨，分析了信 息传递两种方法之间的优缺点。然后研究了投射的能量变化载荷信息的通信，介 绍了供电部分与用电部分的码型与帧结构。系统两端的通信采用副载波的通信方 式，数字信号可以双向传输，最后采用 am 载波调制电路，处理器采用恩智浦的 lpc1114，实现了系统两端可以建立可靠的通信连接。其次，供电部分与用电部分 之间的相对位置往往决定供电质量与效率。若要保证供电端对用电设备高效、可 靠的能量投射就必须对用电设备有比较详细的信息，这样才能保证避免供电端的 误判操作，从而减少能源的浪费并且提高了系统的可靠性。本文将在最后一章给 出物体检测与定位方案。 关键词：无线能量投射，松耦合变压器，高频逆变技术, 物体检测, 定位 沈阳理工大学硕士学位论文 abstract wireless power project technology is a new type of power transmission technology, which is different from the traditional power- supply modes using wireless way to provide power for electrical equipment . wireless power project technology has two main characteristics: first, the electrical equipment and power supply are completely separated, the electrical equipment has good safety, flexibility, sealing, beautiful quality; second, it can transmit electricity through all the non- metallic material ,such as water, air, wood, plastic, glass and even soil etc. therefore it can transmit electricity through separated object. this thesis firstly carries on researching of wireless power project technology which includes the research of loose coupling transformer and high frequency inverter technology. this article designs a wireless energy project system which bases on the frequency control chip sg3524 and the drive chip ir2110. the main circuit adopts full bridge resonant inverter circuits ,adding the active power factor correction circuit and emi control, which effectively improve the quality factor of the power system. at present ,the thesis in domestic discusses wireless energy project technology mostly focuses on the efficiency and don t study on the system power state control and communications, as well as the detection and localization of the electrical equipment and power supply. this thesis analyzes the energy loss of control mode for the power supply state control, and finally adopts the control mode of time access,which effectively reduces the no- load loss.secondly the thesis discusses the way of information load, analyses the difference between the advantages and disadvantages. then studies the communication of the load information of the projected energy changes,and then design the pattern and frame structure. the system uses the subcarrier communication mode to realize the digital signals two- way transmission,then uses am carrier modulate circuit.the processor adopts nxp lpc1114, which realizes the reliable communication.secondly, the relative position of the power supply and the electricity equipment often determines the quality and efficiency of power supply. if the system wants to ensure the power supply equipment to transfer the power efficiently and 沈阳理工大学硕士学位论文 reliablely, there must be detailed information for equipment , so that we can guarantee to avoid misjudging the operation of the system and reduce the waste of the energy and improve the reliability of the system. this thesis will give scheme of the objects detection and localization in the final chapter. key words: wireless energy project, loosely coupled transformer, high frequency inverter technology location, object detection , localization 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明: 本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 人们所熟知的电能是由导线的连接来进行传输的，但是有些时候也出现了一 些弊端，例如矿井下用的搬运车，它所行走的距离却受限于电线的长度，并且如 果多台搬运车同时工作，有可能电线之间相互干扰或缠绕打结，造成短路而损坏 设备，从而给工作带来很多麻烦。如果用导轨来给搬运车提供电能，还会有电火 花和触电的情况发生，这在矿井的工作环境下是非常危险的1。人们日常生活中用 的笔记本电脑、mp3、手机等电子产品都是用导线进行充电的，每一个电子产品 都要配备相应的充电器，这给人们的出行带来了很大的不便。在医疗中，对于植 入人体的人工辅助装置，需要定期开刀手术进行电池更换，这样不但会增加病人 的痛苦而且会带来相应的医疗危险。上述出现的各种供电弊端都可以通过无线能 量投射技术加以解决。 无线能量投射技术的基本原理是电磁耦合，电源与用电设备之间是完全分离 的。无线能量投射技术正处于起步阶段，但是无可替代的技术优势使其具有巨大 的发展潜力。首先因为允许用电设备自由移动，使用电设备的位置更加的灵活。 其次供电端与用电设备之间是两个完全隔离的系统2，这样就可以广泛的应用到像 潮湿、腐蚀性大、粉尘等这样条件局限性很大的环境。另外它的安全性能好，所 有裸线都可以封闭在系统之中，避免了供电过程中有电火花产生，提高了具有可 燃性气体场所的安全性。无线能量投射技术最高的频率范围是几十 khz 到几百 khz，这个频率段不对人身体产生任何危害。这些优势都使得无线能量投射技术广 泛的应用到生活中的各个领域： （1）在医疗领域的应用3 无线能量投射技术在医疗领域有着广泛的应用。如人工心脏，它通过在病人 体内植入电路，由感应耦合设备透过皮肤向体内人工心脏电池进行能量传输，不 会造成皮肤的损伤，从而避免了由于人工心脏电池没电而定期进行开刀手术带来 的不便，这种方式使充电更为便捷，改善了使用人工心脏病人的生活质量，而且 沈阳理工大学硕士学位论文 2 没有重复手术的危险的存在。另外，上海交通大学开发出一种体内球形囊状微型 机器人，采用能量投射方式为机器人进行体外供电，球形囊状微型机器人可以在 人身体内行走，以实现体内诊断治疗，内窥镜或送药装置等医疗设备不必再用柔 性管引导到体内对人身体内进行检查，内球形囊状微型机器人的出现将会大大减 轻病人的痛苦，这样会使治疗的可靠性与安全性大大提高4。 （2）在电子消费领域的应用 科技迅猛发展，个人相机、手机、个人电脑等电子产品日益增多，这些电子 产品的充电也是无线能量投射技术的应用领域之一，它可以消除大量充电导线给 消费者带来的烦恼。近来提出一种无线供电桌面的设想，设想在未来，家里、会 议厅、咖啡厅、机场等都有这种桌面，人们不再需要携带各种充电器或电源适配 器，不需要频繁的拔插，只要把手机、笔记本等移动设备随意放在桌面上就可以 自动的充电了，不用担心电源的问题。 （3）在交通运输领域的应用 伴随着石油燃料资源的日益枯竭，以车载电源为动力的汽车5将会成为未来的 交通运输系统的发展趋势，所以电池充电将会是未来的一个重要研究方向。零排 放的绿色能源动力车辆通常是利用蓄电池储存电能，但是这样需要对蓄电池进行 反复充电，而且要求在干燥、清洁的环境下进行，充电过程需要对电源插头拔插， 这样会对操作人员的安全造成一定的威胁，而采用能量投射方式为车辆的蓄电池 供电，则不会带来这些问题。其次，传统的充电器的整个系统几乎都加载在车上， 而采用能量投射方式下的电源与用电设备是完全隔离的，从而使车辆的重量大大 减轻。另外，这种供电方式下，车辆只需停靠在相应的区域内既可以完成充电， 无需人员的操作。安全、简单的便捷供电方式使无线能量投射技术在交通领域的 应用越来越广泛。 1.2 国内外发展概况 1.2.1 国外发展概况 （1）日本、德国等国家早在 90 年代就已经在无线能量投射技术领域进行了系 统化研究与开发，并已经获得了技术的突破，开发出了大量的实用性很强的产品。 例如，德国奥姆富尔公司研发出的无电平运货车，功率为 150w，该无电平运货车 是迄今最大的无线能量投射系统。 第 1 章 绪论 3 （2）2010 年韩国发明试运行了基于无线能量投射技术的充电公交车，感应条埋 在地下 5cm 处，与电网相连。这种车只要行驶在感应条上方，就可以迅速充电。 如果运行成功，首尔市政府打算最早明年引入公共交通系统。 （3）英国 haloipt公司在伦敦宣布，已经应用其研发的无线能量投射技术实现 了对汽车的无线充电。 haloipt的这种新型系统是将供电端嵌入在地下停车场和街 道之中，路上的充电器垫片埋在沥青下，只需要在汽车装上接收器垫就可以进行 充电了。这种方法可使电池充电免受不良天气的影响。并且具有更大的横向移动 范围使得车辆接收器不需要正对着能量发射器。这套系统将会使下一代的电动车 可以无线供电，甚至供电就可在电动车行驶过程中进行，这当然要行驶在电气化 的道路上。 1.2.2 国内发展概况 目前，国内对无线能量投射技术的研究起步比较晚，虽然没有比较成熟的产 品，但在理论的研究方面取得了重大的突破。 （1）文献6中描述了无线能量投射技术在随钻系统中的应用，其高频逆变电源 的整流电路采用填谷式无功功率校正电路使功率因数增加，提高其能量的投射效 率。然后对可分离变压器进行仿真与实现，得出 ee 型松耦合变压器的气隙、工作 频率、初级绕组电压、初级串联补偿电容、不同的负载对投射效率的影响，通过 实验得到了一些可靠的实验数据，为后面技术的研究提供了可靠的参考依据。 （2） 文献7对可分区供电电源负载识别与系统建模分析， 提出了一种基于 rfid 的负载识别方案， 实现负载识别和可分区供电， 并对该系统进行建模与并用 matlab 的 simulink 工具对系统进行仿真研究，另外，还阐述了数据传输完整性问题。 （3）文献8论文针对拾取负载进行切换时，由于反射到初级回路上的阻抗发生 变化而引发射线圈的电流有效值大小的改变，使系统不能在额定条件下工作。为 了保证在负载切换前后发射线圈上的电流有效值大小的恒定，文章提出了分段控 制算法和基于 pid 原理的控制算法，解决由于负载切换造成原边电流的变化，使 系统在额定条件下稳定、安全的运行。 （4）重庆大学自动化学院对于无线能量投射技术的研究起步比较早，并与新 西兰奥克兰大学合作致力于此项技术的开发研究，并取得了突破性的进展，并在 高频谐振软开关变换器和功率传输的稳定性等方面进展明显。先后推出了从小功 沈阳理工大学硕士学位论文 4 率到大功率量级电子产品的技术解决方案。 1.3 研究目的与方法 目前国内探讨无线能量投射技术时，多半将重点放在系统能量传输效率方面， 对于能量提供端与能量接收端两端的通信并没有许多研究。而国外在无线能量投 射技术的研究上，目前已讨论到同时能传输能量与信号，但并没有详细探讨系统 的供电状态控制与通信 9 ，以及供电端对用电设备的检测与定位的研究。 本文首先对无线能量投射系统的各个组成部分以及相应的技术进行讨论研 究，然后设计了一个小型无线能量投射系统。无线能量投射系统不同于其它电子 系统，它由没有连线、完全独立的供电与用电两个部分组成，但系统的各种功能 与性能又需要两部分进行精密配合来完成。因此系统不仅要进行无连线的能量投 射，而且需要建立无连线的信息沟通，这就是本文讨论的主要问题：系统的控制 与无线通信。系统供电部分与用电部分之间的信息传递有两种方法。一是利用投 射的能量变化来载荷信息。另一种方法是通过其它频率载荷信息，本文将详细的 探讨两种方法的优缺点。无线供电系统的通信好坏，直接能决定系统的性能，通 过本章的论述，本论文可以看到载波通信的优势，利用处理器的特点及功能，用 简单的电路，实现了性能较好的通信链路的设计。其次，物体的检测和定位的研 究也是目前研究领域的一个空白，若要保证供电端对用电设备高效、可靠的能量 投射就必须对用电设备有比较详细的信息，这样才能保证供电端的误判操作，从 而造成能源的浪费和系统的安全性。本文将在最后一章给出物体检测与定位的解 决方案。 1.4 论文结构 全文共分为六章，具体论文结构如下： 第 1 章绪论，分析了论文的课题背景、国内外发展概况和研究目的与方法。 第 2 章原理介绍与系统结构，先介绍无线能量投射技术的定义，然后再对无 线能量投射系统的基本组成结构和影响效率的关键因素予以介绍。 第 3 章无线能量投射系统研究，分别对无线能量投射系统的各个组成部分进 行设计，对松耦合变压器的数学模型、磁性材料的选择、设计时用到的拓扑结构 及参数计算予以分析和研究，然后对高频逆变技术进行研究，最后设计了一个小 型的无线能量投射系统。 第 1 章 绪论 5 第 4 章无线供电状态控制与通信，首先对控制与通信部分功能予以介绍，对 待机损耗的能量控制、信息载荷的方式、投射的能量变化载荷信息的通信、副载 波通信方式进行的探讨和研究，并利用处理器的特点及功能，用简单的电路，实 现了性能较好的通信链路的设计。 第 5 章物体检测与定位方案，给出了物体检测的两种方案，即谐振偏移和电 容变化，其次对用电设备的定位给出了可供参考的解决方案。 文章的最后是对本文的总结。 沈阳理工大学硕士学位论文 6 第 2 章 原理介绍与结构分析 2.1 无线能量投射技术 无线能量投射技术是指将传统变压器的感应耦合磁路分开，原副边绕组分别绕 在分离的磁性材料上，利用磁场耦合原理来实现供电装置和负载之间的能量传输， 供电设备和负载之间,也可称为供电部分与用电部分之间在没有电线连接的情况下、 甚至在两者之间存在相对运动的情况下也能实现电能的无线传输。 2.2 系统构成介绍 无线能量投射技术利用了现代的电磁感应理论，结合了当今的电力电子技术与 通信技术，实现了能量的无线传输。无线能量投射技术与传统的电源能量供应模式 相比较最大的优势在于能够实现电能的无连接式的传输。 下图是是几种典型的基于无线能量投射系统的组成方案。可以看出，一个典型 的无线能量投射系统主要由四部分部分组成9：高频逆变单元、松耦合变压器和整 流滤波部分和无线通讯。 高频逆变单元是将平稳的直流电流逆变成高频的交变电流， 通过优化设计的松耦合变压器，松耦合变压器作为无线能量投射技术的关键部分， 其初级绕组中通过的高频电流向空间投射电磁能量并在次级绕组中产生感应电流或 者感应电压，它是实现电能的无线传输的关键一步，这是因为能量是通过高频电流 向空间辐射电磁波来完成能量投射的，这就导致在松耦合变压器中的初级线圈与次 级线圈间有一段空气磁路，由于空气的磁阻远大于磁芯的磁阻，因此磁路的磁动势 降主要分布在空气磁路部分，所以这时初级绕组会产生很大的励磁电流，而激磁电 流的增大一方面会增加整个变压器的体积，另一方面会降低整个松耦合变压器的能 量传送效率。为了提高整个电源系统的电能传输效率，缩小器件的体积，提高能量 密度10，这就要求在松耦合变压器的初级绕组中通过高频电流，利用电流高频化来 提高整个电源系统的能量密度，减小器件体积，提高能量传输效率。整流滤波部分 是在次级绕组中得到的感应电压通过整流滤波使其平稳输出。无线通讯部分负责能 量提供端与能量接收端之间信息传递，用电设备的信息传递到能量提供端，能量提 第 2 章 原理介绍与结构分析 7 供端会根据用电设备的信息作出相应的调整，这些信息可以是电流信号，也可以是 电压信号，或者是不相关的物体，如金属、木料等，这样能量提供端会作出相应的 调整。 初级 绕组 次级 绕组 整流滤波 高频逆变 用电设备直流电源 无线通讯无线通讯 松耦合变压器 控制 图 2.1 采用无线通讯的系统构成 采用了无线通讯的方式实现了供电端和用电端的信息传递12，实现了能量信号 的控制，通过改变系统的工作频率调节输出的能量。对无线能量投射系统来说，最 终的目的是给负载提供一个稳定的电压。 在图 2.1 中，采用单级的方案，利用无线通讯的方法使原边和副边保持通讯， 实时的采样副边的电压。当输出电压增大或减小时，及时的通过无线通讯反馈到 原边，然后通过改变开关频率的方式改变输出电压以保持输出电压的稳定。此 方案只采用了一级 dc/dc 变换器，从成本上来说比较低。但是当输入电压变化范 围和负载范围变化比较宽的时候，开关频率将在一个比较宽的范围内变化，因为设 计控制电路时，设定在输入低压输出满载的时候开关频率在谐振频率附近，当输入 高压输出满载时其开关频率将偏离谐振频率很多，使供电电源的视在功率将有较大 幅度的增加，系统的无功功率增加很多。从供电电源的角度来说，所需视在功率的 增加使得成本增加；从效率的角度来说，当系统中有较大的无功功率，而实际电路 中都有一定的损耗，尤其是松耦合变压器的传输效率较低，无功功率增加将使得系 统效率下降。 沈阳理工大学硕士学位论文 8 初级 绕组 次级 绕组 整流滤波 高频 逆变 用电设备 直流 电源 无线通讯无线通讯 松耦合变压器 控制 dc/dc 变换 图 2.2 采用无线通讯的两级式系统构成 图2.2中， 采用了两级式的方案 1 3 ， 后级开环工作， 通过无线通讯改变前级dc/dc 的输出电压进而调节输出电压。在图 2.2 中采用两级的方案，仍然利用无线通讯的 方法使原边和副边保持通讯，实时的采样副边的输出电压。松耦合谐振变换器处于 开环的状态，不调节输出电压，只起到能量传输的作用。当输出电压增大或减小时， 通过无线通讯反馈到控制电路，控制电路通过前级 dc/dc 变换器使输出电压稳定。 通过频率跟踪控制的方式使后级始终处于谐振状态或者接近于谐振状态，后级的能 量传输系统工作于比较好的状态。只是系统比较复杂，元器件比较多，成本较高。 从安全性能方面来说，如果采用三相供电，其前级可以降压式变换器，这样副边的 绕组输出电压就比较低，因此，本方案的安全性能比较好。 初级 绕组 次级 绕组 整流 滤波 高频逆变 用电 设备 直流电源 松耦合变压器 dc/dc 变换 图 2.3 两侧能调节的系统构成 两级式的方案，前级实现无线能量传输，后级通过 dc/dc 变换器使供电设备 得到平稳的电压。图 2.3 也采用了两级的方案，没有采用无线通讯的方案，而是后 级级联了一级 dc/dc 变换器。其松耦合谐振变换器也处于开环工作状态，不调节 输出电压，仅起到能量传输的作用，控制方法也可以采用频率跟踪控制方式，使前 级的松耦合谐振变换器始终处于最优工作状态，改变后级 dc/dc 变换调节输出电 压。 第 2 章 原理介绍与结构分析 9 2.3 关键因素分析 （1）频率的选择 投射功率大而又要求装置体积尽量小，在设计上是通过增大频率来实现的，对 于无线能量投射技术来说，开关频率在 20khz200khz是最好的选择。 （2）趋肤效应 1 4 交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导 体表面电流密度越大。这种现象称“ 趋肤效应” 。趋肤效应使导体的有效电阻增加。 频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导 线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，交流电阻增大。而交流电 阻增大将导致限制了输入线圈的电流、降低电感的品质因数、增加线圈损耗与线圈 发热等一系列问题。高频情况下，导体内部的涡流将会导致表面电流密度增大，而 越接近中心电流密度趋于零，成指数递减。 f 1 = (2- 1) 其中， f 为电流频率， 为材料导磁率，为电导率。由公式可以知道，随着操作 频率的增加，趋肤深度逐渐减小，从而电阻增大，所以趋肤效应是在高频情况下需 要考虑的因素之一。 （3）磁滞损耗 1 5 将线圈绕制在磁性材料上目的是使其通过交高频交变电流后获得适当的磁路， 当线圈流过电流时，由于线圈本身的内阻而导致功率损耗，另外，当所产生的磁通 在磁芯内部流动时，由于磁性材料的磁滞特性所造成的损耗叫磁滞损耗，而且随着 操作频率的升高，磁滞损耗将会增大，所以在设计松耦合变压器的时，磁滞损耗是 需要考虑的因素之一。 2.4 本章小结 本章首先介绍无线能量投射技术，然后对现有的无线能量投射系统构成予以介 绍，然后对影响能量传输效率的因素进行简要的分析。 沈阳理工大学硕士学位论文 10 第 3 章 无线能量投射系统研究 3.1 松耦合变压器研究 3.1.1 松耦合变压器简介 松耦合变压器 1 6 是无线能量投射系统中的一个重要组成部分，常规变压器的初 级绕组与次级绕组之间是连接的，并且初级绕组和次级绕组之间满足电压比等于初 次级绕组匝数比，电流比等于匝数反比，这里初级绕组与次级绕组之间的漏感是几 乎为零的。而松耦合变压器的特殊结构设计使得能量提供端与能量接收端之间是相 互隔离的，有较长的空气磁路，存在较大的漏感，所以初级绕组与次级绕组之间电 流和电压就不满足匝数比关系。但是两者有相近的数学模型，只是参数有较大的不 同。譬如常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势降主要分布在磁芯磁路部分，而 磁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小，因而需要较小的激磁电流。 而松耦合变压器有很大的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，因 此需要很大的激磁电流，从而导致其漏感较大，耦合系数不高，而根据无线供电的 不同应用领域，松耦合变压器又可以分成原副边相对滑动式、原副边相对静止式等 几种不同的结构类型。 3.1.2 数学模型 目前最常用的变压器等效模型有传统的变压器模型和互感模型两种。传统的变 压器模型利用变压和负载电流的概念来描述耦合效应，漏感可以忽略不计，这种模 型适用范围为紧耦合变压器。互感模型17由初级回路和次级回路组成，用反射阻 抗来描述原副级的耦合效应，互感模型的优点在于原副级的互感和漏感不需要分开 考虑。所以本文通过互感模型来分析松耦合变压器的耦合关系。用互感模型来等效 松耦合变压器的等效电路图如图3.1所示。 第 3 章 无线能量投射系统研究 11 图3.1 松耦合变压器互感模型 电路忽略原线圈与副线圈的电阻很明显地反映出了原副边之间相互影响的关 系，这种相互影响的关系可以用一个电压源来代替，经过这种等效之后就可以将原 边或副边电路进行独立的分析。 . pv 表示松耦合变压器原边绕组电压， . sv 表示松耦 合变压器副边绕组电压， p l表示松耦合变压器原边电感， s l 表示松耦合变压器副边 电感，m表示松耦合变压器的互感， 原边绕组电流分别为 . lp i ,副边绕组电流 . ls i ， l r 为负载电阻，表示开关角频率。根据图 3.2 所示的参考方向可以得到如下的方程： . pplpls vj l ij m i= . slpsls vj m ij l i= 松耦合变压器原边绕组与副边绕组的耦合系数k为 spl l m k =，耦合电感全耦 合时 k 值最大为 1，无耦合时为 0，因此 0=k=1。k0.5 时为紧耦合，kfp，图 4.15 上半部分为电能传输环节， 主要包括电能发送与接收电路、 电能发送线圈 lp1与接收线圈 lp2等，线圈 lp1中的交流电流产生频率为 fp的电能交 变磁场，电能接收线圈在该交变磁场中感应电压，经过电能变换后为负载 rl供电， 从而完成电能从发送电路向接收电路的无线传输。图中下半部分为信号传输环节， 主要包括信号发送/接收电路、信号线圈 ld1与 ld2若线圈处于信号发送状态，其电 流产生频率为 fd的信号交变磁场，线圈 ld2在该交变磁场中感应电压，可实现信号 在线圈 ld1与 ld2间的耦合传输。 本课题中的待传输的信号为数字信号(也称为基带信号)，基带信号通常为低频 方波信号，含有直流分量和各次谐波分量，不能直接将基带信号加载到信号线圈上 进行传输，可采用数字调制方法，即用高频载波搭载基带信号，实现数字信号耦合 传输。 信号线圈 发送 接收 调制解调 解调调制 接收 发送 信号线圈 信号输入信号输出 信号输出信号输入 ld1ld2 磁场耦合 图 4.16 信号传输环节结构 图4.16所示为信号传输环节基本原理图 3 4 ，信号的传输是通过线圈ld1 和ld2 间电磁感应耦合实现的，输入信号经过调制后送入发送电路，经过发送电路后在线 圈 ld1 中产生交变电流，进而产生交变磁场，接收线圈 ld2 在该交变磁场中产生 感应电压，感应电压经过一系列的处理并最终通过解调电路恢复发送信号，完成信 号传输，由于同一时刻只能有一个线圈作为信号发送端，所以该方式可以实现半双 工双向信号传输 3 5 。 4.5.2 副载波 am 调制电路 am 调制具有电路简单的特点 3 6 ，我们利用系统的控制处理器与简洁的电路， 达到可靠的通信。 系统处理器采用恩智浦的 lpc1114，其资源与管脚如图 4.17。 第 4 章 无线供电状态控制与通信 41 图 4.17 lpc1114 的内部功能框图 lpc1114 是一个具有 arm cortex- m0 的廉价 32 位处理器，最高工作频率为 50mhz，它有32kb的 flash存储器，8kb 的数据存储器，4 个计时器/计数器，10bit 的 adc,多达 42 个 i/o 管脚，还有多种通信接口。这是一个功能强大处理芯片，具 有极高的性价比。这个处理器除进行能量投射的管理外，还可以进行通信电路的实 现。 本文利用处理器的 adc 与处理器管脚驱动能量（高达 20ma） ，设计了通信收 发电路，形式如图 4.18。 沈阳理工大学硕士学位论文 42 图 4.18 am 通信收发电路 这是一个 am 收发电路，双向对等，采用单工通信的模式。 发送数据时：i/o 口通过芯片内的分频电路，输出一个 2mhz 左右载频的调制 方波，通过 r1的限流（小于 20ma） ，经 c1l 的选频电路 3 7 （变成正弦波） ，耦合到 对方。此时，由 g1r2r3r4组成的输入放大电路的输入阻抗远远大于 r1，相当于开 路，对输出影响很小。 接收数据时：i/o 口为高阻态，相当于开路，通过 c1l 的选频电路将耦合过来 的高频信号，由 g1r2r3r4组成的输入放大电路进行放大，用来驱动由 g2g3r5c3组 成的三极管倍压检波放大电路，其电路原理如图 4.19 所示。 图 4.19 倍压检波放大器的工作原理图 没信号时，g2截止，a/d口为高电平，当有信号输入时，信号为负半周时，通 路 b 向电容 c2反向充电，正向信号利用 g2的 pn 结的单向性，倍压通过 g2的 pn 结进行检波并放大。由 r5c3组成的积分电路，其时间常数要满足： 第 4 章 无线供电状态控制与通信 43 035 tcr （4- 5） 式中 t0为载频的周期时间。 有信号时，电压随着信号的大小也相应降低，通过 a/d 口进行信号检测，信号 的有无、大小、持续时间，达到通信的目的。 而且信号的大小，反应出供电部分与用电部分间的距离关系。 持续时间反映信号与噪声的关系，通过智能判别，大大提高通信系统的抗噪声 性能 3 8 。 1 2 3 4 5 6 710 11 12 13 14 15 16 89 sg3524 8 vdd 9 hin 10 sd 11 lin 12 vss 13 14 lo 1 com 2 vcc 3 4 vs 5 vb 6 ho 7 ir2110 u? 8 vdd 9 hin 10 sd 11 lin 12 vss 13 14 lo 1 com 2 vcc 3 4 vs 5 vb 6 ho 7 ir2110 1kr9 20k r5 res tap 0.01uf c3 cap 0.01uf c7 20k r10 0.1uf c6 20k r11 res1 +12 1k r6 5.1k r3 0.1uf c5 0.1uf c11 +12 +12 100 r1 1k r8 1uf c1 0.1uf c2 d1 diode 0.2uf c4 100 r2 100 r4 1uf c8 0.1uf c9 d2 diode 0.2uf c10 100 r12 1k r7 d7 bridge1 c14 0.2uf d8q3 1 vsin 10mh l1 c12 0.2uf d5q1c13 0.2uf d 6q 2 c15 0.2uf d 9q 4 c17 0.2uf c5 0.2uf g1 g3 g2 g4 d1 d3d4 d2 4700pf c16 cap pol1 r 21mh l2 i/o 3 a/d 2 vcc 16 gnd 8 lpc1114 vcc 1k r15 4k7 r18 4k7 r19 1k r17 1k r16 port c19 0.2uf c18 0.2uf d5 q 5 q6 4k7 r20 i/o 3 a/d 2 vcc 16 gnd 8 lpc1114 vcc 1k r15 4k7 r18 4k7 r19 1k r17 1k r16 c19 0.2uf c18 0.2uf d5 q5 q6 4k7 r20 图 4.20 整体工作原理图 沈阳理工大学硕士学位论文 44 如图 4.20 为系统的整体工作原理图，松耦合变压器、高频逆变电路、驱动电路、 系统输出、和通信电路组成。下面为实验结果波形： 图 4.21 发送电路波形 图 4.21 通道 1 为待传输的数字信号，通道 2 为编码后的信号，通道 3 所示为谐 振单元电压波形。 图 4.22 接收电路波形 图 4 . 2 2 所示为接收电路波形，其中通道 1 为电感感应的电压波形，通道 2 为负 载两端电压波形，通道 3 为接收回路电感电压波形，由负载两端电压波形可看出输 出电压平稳，没有受到信号传输的影响。 图 4 . 2 3 所示为信号特征提取波形，其中通道 1 为包络检波器 1 的输出波形，通 道 2 为包络检波器 2 输出波形，通道 3 为比较器输出的信号即信号特征波形。 第 4 章 无线供电状态控制与通信 45 图 4 . 2 3 信号特征提取波形 图 4 . 2 4 信号复原波形 图 4.24 所示为信号复原波形，其中通道 3 所示为信号特征波形，通道 1 为反 编码输出波形，由图可看出信号复原波形与信号输入波形基本一致，系统成功完 成了信号从发送电路到接受电路的传输。 4.6 本章小结 无线能量投射系统的通信好坏，直接能决定系统的性能，通过本章的论述，我 们可以看到载波通信的优势，我们利用处理器的特点及功能，用简单的电路，可以 实现系统两端的通信。 沈阳理工大学硕士学位论文 46 第 5 章 物体检测与定位方案 5.1 物体检测 供电部分与用电部分之间的相对位置，往往决定供电质量与效率。一般供电部 分位置相对固定，而用电部分的位置可以是固定的，如带有连接器的无线充电装置， 有时用电部分是不确定的。许多充电的示例都需要对用电部分进行定位。如手机相 对充电托盘，行驶的汽车在停车位的充电、甚至汽车在等候信号灯时进行充电等等 情况 3 9 。 除用机械方式的定位外，对用电部分位置进行检测和定位的是充电的关键，因 为当用电部分位置确定后，供电部分可以选择机械运动对位，移动供电部分的位置， 使供电部分与用电部分达到最紧密的耦合。或供电部分通过电路的匹配，同样使供 电部分与用电部分达到最紧密的耦合 4 0 。 一个供电端可以用以下几种方案来有效的检测和定位界面上的物体。这些方案 不用激活能量接收端而直接开始数字通信。下面将提供以下方案。 5.1.1 谐振偏移 此方案是原理是能量提供端由于接口表面有物体存在而导致谐振频率偏移。 该方案处理如下：能量提供端对其主线圈发送一个极短脉冲，设该工作频率为 fod，该频率相当于原线圈及串联谐振电容的谐振频率（如没有物体出现在了接口表 面） 。这样产生一个原线圈电流 iod,，测量值取决于一个物体是否出现在有效范围内， 如果物体存在而共振频率没有发生偏移，这时测量值最高。因此，如果 iod低于阈值 iodt，能量提供端就判定物体的存在。能量提供端可以发送间隔为 todi脉冲，每一个 脉冲最多持续 todd。初级线圈电流应该在最大间隔 todm脉冲后进行测量。见图 5.1。 第 5 章 物体检测与定位方案 47 图 5.1 谐振偏移 5.1.2 电容变化 此方案的原理是：当物体放置在接口界面时，接口界面上的电极的电容会发生 变化。 此方案尤其适用于定位能量提供端，因为需一个极低的待用电源可以实现，而 且对用电设备来说也存在一个可接受的反应时间。原因是连续的扫描接口界面物体 和能量接收端这种做法比较浪费电能。相比之下，感测一个电极的电容的变化是很 实惠的。 能量提供端设计是基于主线圈阵列，它们可以使用圈阵列作为为电极。为此目 的，复用器应该把所有阵列主线圈连接到到一个电容感测单元，同时从驱动电路断 开主线圈的连接。 如果感测到电容变化量超过阀值，则能量提供端可以判定有物体在接口界面上 放置或撤离。在这种情况下，能量提供端能够锁定和识别接口界面上的物体。 5.2 定位 本节所讨论的定位适用于能量提供端主线圈阵列。在这种方法中，能量提供端 首先通过 5.1 中的方法检测和锁定界面上的物体。主线圈阵列上的每一个线圈单元 都代表能量接收端可能出现的位置，对于每一个线圈单元，能量提供端执行一个响 应命令，在接收到信号强度包（或者终止能量传输包，或者在一个超时）后撤除该 能量信号，这将产生一组新的线圈单元。最后，能量提供端在每一个线圈单元中执 行一个响应命令以便于识别发现的用电设备。 为了选择最适合能量发射的线圈单元， 能量提供端采取如下方法讨论。 5.2.1 单一能量接收端覆盖多个线圈单元 如图 5.2 表示的是包含 12 个线圈单元的情况。为了在装置上选择最适合的小区 沈阳理工大学硕士学位论文 48 域，能量提供端比较了所有的已经提供的基本设备识别码。如果设备识别码相同， 则能量接收端可得出所有的线圈单元都对应着同一个能量接收端。因此，能量提供 端选择那些信号强度值最高的线圈单元进行能量传输。在图 5.2 中具体的说明，这 些线圈单元是 2，3，4，5，8，9，10，11。 图 5.2 单一能量接收端覆盖多个线圈单元 5.2.2两个能量接收端覆盖两个相邻的线圈单元 图 5.2 表示的是覆盖了 12 个线圈单元的一种情况，就像在 5.2.1 部分中讨论的。 为了在设备上选择最合适的线圈单元，能量提供端比较所有的基本设备识别码。在 这种情况下，能量提供端发现两个能量接收端有相同的设备识别码。相应的能量提 供端得出出现了两种不同的能量接收端。因此，能量提供端从能量接收端中选择最 合适的线圈单元。如图 5.3 中，左边能量接收端可以是线圈单元 2 或者线圈单元 8， 右边的能量接收器可以是线圈单元 5 或者线圈单元 11。但是由于干扰得存在，能量 接收端不能通过区域 3,4,9,10 进行可靠的通信连接。 图 5.3 两个能量接收端覆盖的两个相邻的线圈单元 第 5 章 物体检测与定位方案 49 5.2.3两个能量接收端覆盖的单一线圈单元 图 5.4 显示，单一的线圈单元中包含两个能量接收端的情况。在这里，假定是 两个能量接收端有不同的响应时间。例如，左边的能量接收端反应非常快，而右边 的能量接收端反应很慢。这使能量提供端从快速的能量接收端中接收信号强度包 4 1 ， 而不从慢的能量接收端中接收。然而，由于两个能量接收端信息传输冲突将导致能 量提供端与每个能量接收端都不能进一步的通信。因此，能量提供端不能只选择一 个线圈单元进行能量传输。 图 5.4 两个能量接收端覆盖的单一线圈单元 5.3 本章小结 本节主要对物体检测与定位的方案进行阐述，物体检测主要有两种方法，一是 是否发生频率偏移，二是电极电容是否发生变化。其次讨论定位的三种情况。上面 只是进行简单的原理阐述，其正确性需要进一步的论证，为后续的研究提供了一种 参考依据。 沈阳理工大学硕士学位论文 50 结 论 本文在无线能量投射技术研究的基础上，设计了一个无线能量投射