基于单片机控制无线充电系统的研究与设计毕业论文.doc

毕业设计（论文）报告纸基于单片机控制无线充电系统的研究与设计毕业论文目 录摘 要iAbstractii第一章 引 言- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2 研究前景与意义- 1 -1.3 无线充电技术分类及国内外现状- 3 -1.3.1 无线充电技术的分类- 3 -1.3.2 无线充电技术的历史及现状- 6 -1.4 本文主要研究内容- 7 -第二章 无线电力传输原理- 8 -2.1 电磁感应原理- 8 -2.2 基于近场磁感应无线电力传输原理- 8 -2.3 基于电磁耦合共振的无线电力传输原理- 11 -第三章 影响无线电力传输效率的因素分析- 14 -3.1 近场磁感应无线电力传输系统模型- 14 -3.2 距离与线圈半径对效率的影响- 15 -3.2.1 距离与效率关系- 16 -3.2.2 线圈半径与效率关系- 17 -3.3 补偿方式对效率的影响- 17 -3.4 谐振对效率的影响- 21 -3.4.1 补偿电容容值对效率的影响- 21 -3.4.2 发射频率对效率的影响- 22 -第四章 无线充电器硬件设计- 24 -4.1 需求与技术难点分析- 24 -4.2 系统框架- 24 -4.3 硬件设计- 25 -4.3.1 硬件参数配置- 26 -4.3.2 发射逆变电路设计- 27 -4.3.3 补偿电容设计- 31 -4.3.4 线圈尺寸及线圈间距离设计- 32 -4.3.5 接收整流滤波电路设计- 32 -4.3.6 锂电池充电电路设计- 34 -4.3.7 接收部分单片机及电压检测电路设计- 36 -4.3.8 红外发射电路设计- 38 -4.3.9 发射线圈部分单片机、红外解码电路以及继电器电路设计- 38 -4.3.10 整体原理图设计- 40 -4.4 原理图及设计- 40 -第五章 无线充电器软件设计- 43 -5.1 红外数据传输解码原理- 43 -5.2 发射线圈部分软件设计- 44 -5.3 接收线圈部分软件设计- 47 -5.3.1 AD程序设计- 48 -5.3.2 红外发送程序设计- 49 -5.3.3 系统的整体软件设计- 53 -第六章 系统调试- 54 -第七章 总结与展望- 56 -参 考 文 献- 57 -致 谢- 58 -附 录- 59 -1 发射线圈原理图- 59 -2 接收线圈原理图- 60 -3 发射部分程序- 61 -3.1 Main.c文件- 61 -3.2红外收发.c文件- 63 -3.3 head.h文件- 66 -4 接收部分程序- 67 -4.1 main.c文件- 67 -4.2 红外发射.c文件- 70 -4.3 head.h头文件- 74 - 74 - 第一章 引 言1.1 研究背景给自己的手机无线充电对绝大部分人来说还是一个非常新奇的东西，但是不可否认的是这项技术正悄然向我们靠近。其实无线充电技术不能算作一个新技术，它是基于无线电力传输技术而衍生的一项应用。而无线电力传输可以追溯到人类刚刚拥有电力的19世纪。人们对电能的传输有两种思路，一个是架设电缆对电能进行远距离传输；另一个就是尼古拉特斯拉在十九世纪末提出的无线传输方式。特斯拉当时构想通过电磁感应的方式，让电能以大地和天空电离层为介质进行低损耗的传送，并且认真做了实验，但是因为经济原因不得不终止了。后来相当一段时间内人们都没有广泛的去研究无线电力传输。一直到百年后的今天，这种局面才被改变。在电动牙刷，电动剃须刀等产品里我们看到了无线电力传输的应用，直到2007年马林索尔贾希克用其称之为“WiTricity”的技术通过一个直径60cm的线圈将挂在距离1.83米的线圈上的60W灯泡点亮，极大的点燃了人们对无线电力传输技术的热情，点亮了人们对“无线”未来生活的无限憧憬，科学界也不遗余力地朝着这个方向努力。1.2 研究前景与意义无线充电技术的研究应用涉及领域广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。1.小型电气设备充电器无线供电适于一些小电器，例如电动剃须刀、电动牙刷。这些器具经常会在潮湿的环境下使用，电气连接的存在可能会导致事故。无线的电能传递使充电过程中没有裸露导体，从而将大大提高电器的可靠性和安全性。近来随着移动电话的普遍使用，这一技术正被研究用于手机电池的非接触充电。此类设备非接触充电的方案为：初级线圈和高频电源放置在充电器中，充电器可以与普通的电压线相连，次级绕组、整流器和电池置于设备中，充电器和电气设备都由塑料盒子封装。当把设备放进充电器时，初、次级线圈相对正，充电过程开始。这类非接触充电应用的共同点是：（1）体积小、重量轻、可靠性高；（2）可以控制电池充电，保证充电非常、安全。当然，能从无线充电技术中受益的远不止消费和通信电子。举例来说，新兴的无线传感器网络就会成为了一个极大的受益者。无线传感器网络可以多角度、实时、无人值守的监控被测对象，但给众多的传感器节点补充电能一直是一个非常棘手的问题。很多的节点可能已经嵌入到建筑中，取出充电几乎成了不可能的事情。可如果使用无线充电技术的话，这个问题就会迎刃而解。只要将能量发送模块放置在无线传感器网络的覆盖范围内，充电就会自动完成。不过，无线充电技术也会促使电子产品发生变化，传统的电源管理部分将会产生一定的变化，面对电子产品的功耗要求也愈发严格，因为通过无线传输的能量毕竟还是受限的。2.生物医学上的应用 随着科技的发展和进步，科学家逐渐研制出各种电子设备来弥补人身体的缺陷，例如：人造器官，肾脏，肝脏，心脏；对下肢麻痹的人进行肌肉刺激，刺激神经系统来控制帕金森症，助听器，心脏起搏器等等。所有这些系统的共同点，就是需要由置于体外的电池组给移植在体内的设备进行供电。完成这一供电可以有两种方式：穿透皮肤(导线穿过皮肤连接电源和负载)和穿过皮肤(利用变压器作为无接触电能传输环节，皮肤没有损伤)。这种无接触式电能传输大大改善了做移植手术病人的生活质量，因为这种方式更为舒适，而且没有污染的危险。这些系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体内进行能量传递，开辟了新型的伤损性较小的医疗天地。非接触电能传输系统在生物医学上应用的主要特点是可靠性要求高。因为一半的电源通过外科手术植入人体内，如果出现问题，很难改变。另一方面，移植本身必须始终正常工作，当初、次级之间的耦合发生变化时，变换器必须能提供足够的电压。 除了在小功率充电方面的应用，无线充电技术在大功率方面的应用也日渐出现。功率开关器件和商性能磁性材料的诞生使得外关速度、大小及功率变换器的效率得到显著的改进，也使得非接触电能传输的功率远远超过了那些小型的像电动牙刷充电器类应用所需的传输功率。目前，一些应用研究已在积极进行中。非接触充电传递方式的显著优点是：(1) 没有裸露导体，其能量传递能力不受环境因素如尘土、污物、水等的影响。比起电气连接来，更为可靠、耐用，不发生火花，不存在机械磨损和摩擦。(2) 采用高频技术，可大大降低系统的体重和体积，提高了功率密度和传输效率。无线充电只需用一个发送端，就可以给多个用户终端同时充电；可以制定统一的无线充电标准，这样就可以为所有符合这一标准制造的可充电电池用同一充电装置充电；充电器的接收端可以内置到手机、笔记本电脑等移动通信工具内部，这些移动通信工具就可以在无线通信系统覆盖的可充电范围内自由自在随时在需要的时候充电。这项技术还具有其他一系列好处，包括更好的便携性、更低的成本、通用性。1.3 无线充电技术分类及国内外现状1.3.1 无线充电技术的分类无线充电技术可以分为四种类型，第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。第三类是“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。第四类则是将电能以微波的形式无线传送发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便，英特尔是这项方案的支持者。1.电磁感应方式我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈（初级线圈、次级线圈）组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。这套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。这种工作方式用在智能手机中完全可行，苹果公司、摩托罗拉公司、LG、松下和NTT DoCoMo 都在开发各自的无线充电器。理论上说，只要在充电座和手机中分别安装发射和接 收电能的线圈，就能实现像电动牙刷一样的无节点充电。由此，手机的充电方式可以变得更加灵活，接口也有望得到统一，提高用户使用的方便性。2.电磁耦合共振方式与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米 至数米的无线充电，使用上更加灵活。除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。富士通公司在2010年对磁共振系统进行展示，在演示中它成功地在15厘米距离内点 亮两个灯泡，具备良好的实用价值。除了富士通外，长野日本无线、索尼、高通、WiTricity 都采取这项技术来开发自己的无线充电方案，其中WiTricity 的应用领域是为电动汽车无线充电。3.电场耦合方式日本村田制作所开发的“电场耦合”无线供电系统则属于少数派，隶属于这一体系的还包括日本的竹中工务店。电场耦合方式与“电磁感应”及“磁共振”方式都不同，它的传输媒介不是磁场而是电场。这套系统包括一个送电侧和受电侧，前者包括两组电极、一个振荡器、一个放大器和 一套升压电路：Passive电极主要起接地作用，Active 电极则用于产生电场。而振荡器的作 用则是将输入的直流电转变为交流电，放大器和升压电路则负责提升电压。例如接入为5V的适配器，经过振荡器、放大器和升压电路后就会产生一个1.5KV的高压电，驱使 Active电极产生一个高压电场。而受电侧也与此对应，接收电极感应到高压电场，再经过降压电路及整流电路后、就产生了设备能实际使用的直流电压。目前，村田制作所已获得这种构造的技术专利。相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：充电时设备的位置具备一定的自由度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。我们可以看到电场耦合与电磁感应 的对比结果，电极或线圈间的错位用dz/D（中心点距离/ 直径）参数来表示，当该参数为0时，表示两者完全重合，此时能效处于最高状态。当该参数为1时，表示两者完全不重合。我们可以看到，此时电场耦合方式只是降低了 20%的能量输入，设备依然是可以正常充电，而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降，错位超过0.5时就完全无法正常工作，因此，电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄，比如它可以使用厚度仅有5 微米的铜箔或者铝箔，此外对材料的形状、材料也都不要求，透明电极、薄膜电极都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常规的形状。这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中，这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。显而易见，若采用电场耦合技术，智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度，不会在充电模块设计上遭受制肘。第三个优点就是电极部分的温度并不会上升困扰无线充电技术的一个难题就是充 电时温度较高，会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化，进而影响电池的寿命。电场耦合 方式则不存在这种困扰，电极部分的温度并不会上升，因此在内部设计方面不必太刻意。电极部分不发热主要得益于提高电压，如在充电时将电压提升到1.5kv左右，此时流过电极的 电流强度只有区区数毫安，电极的发热量就可以控制得很理想。不过美中不足的是，送电模 块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量，一般会导致内部温度提升1020左右，但电路系统可以被配置在较远的位置上，以避免对内部电池产生影响。村田制作所目前已经成功地开发出5瓦和10瓦充电的产品，并致力于实现小型化，制作所计划从今年开始向市场投放小型产品，未来则朝着50瓦、100瓦等大功率产品的方向前进。 4.微波谐振方式英特尔公司是微波谐振方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收 方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。这种方式 就相当于我们常用的WiFi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。微波谐振方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低 得出奇，如英特尔的这套方案，供应电力低至1瓦以下，乍一看起来实用性相当有限。而它 的优点，则是位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最 符合自然的一种充电方式。我们可以看到，当设备收发双方完全重合时，电磁感应和微波谐 振方式的能量效率都达到峰值，但电磁感应明显优胜。不过随着X-Y 方向发生位移，电磁感 应方式出现快速的衰减，而微波谐振则要平缓得多，即便位移较大也具有相当的可用性。1.3.2 无线充电技术的历史及现状19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才，尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，18561943）在无线电技术何其他电气方面作出了杰出的贡献。1881他年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年他发明多相交流传输及配电系统；18891890年制成赫兹振荡器；1891年他发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展。19011905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。2008年9月，北美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。以上的一些应研究似乎与我们生活无多少关系，那么我们最能深切感受到的就是有机无线充电器。Palm在09年针对手机推出的点金石充电系统就属于无线充电技术的一种，用户只需要将手机放在点金石上，充电就会自动开始，无需连接任何线路。而诺基亚Lumia 920、LG Nexus 4、HTC Droid DNA等这些新一代智能手机也都支持无线充电这一神奇的功能:使用者只需将手机的背盖放置在无线充电底座上，即可进行充电。当然，无线充电技术并不仅仅是智能手机领域，如笔记本电脑方面也将是它的舞台。戴尔是最早推出支持无线充电产品的厂商，它早在2009年就推出了配备了无线充电功能模块的Latitude Z600，成为全球首款支持无线充电的笔记本电脑：通过无线坞站的扩充，可以为这款机器提供60W功率的供电，5小时左右即可将这款产品的电池充满。 1.4 本文主要研究内容无线充电效率不高，其主要原因是无线电力传输过程中能量散失过多，本文主要研究影响无线电力传输效率的几点因素一一谐振补偿方式、线圈距离、线圈尺寸，并且探讨如何最大可能提高无线电力传输的效率。同时本文中还设计了一款无线充电装置，用来给装在一个智能小车上的两节串联的锂电池进行无线充电。本文第一章简单介绍了无线电力传输技术的研究现状和现实应用。第二章介绍了无线充电中的关键技术无线电力传输的原理。第三章用实验验证了谐振补偿方式、线圈距离、线圈尺寸、补偿电容值、频率几个因素对无线电力传输效率的影响，为设计无线充电器的无线电力传输部分提供了标准。第四章设计了一款给两节串联锂电池充电的智能无线充电器。第二章 无线电力传输原理2.1 电磁感应原理1831年8月29日法拉第首次发现，处在随时间变化的电流附近的闭合回路中有感应电流产生。若将一根磁铁插入一个闭合线圈，或者从线圈中抽出，或者磁铁不动，线圈靠近或者远离磁铁时，线圈中会产生电流。此外，法拉第还做了一些诸如闭合线圈在磁场中转动，闭合回路中某一段导线在磁场内运动等一系列的实验，也都发现回路中有电流。在电磁学中我们都知道当穿过一个闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时，不管这种变化是由于什么原因引起的，回路中就有电流。这种现象叫做电磁感应现象。电磁感应现象就是无线电力传输的理论基础。电磁感应定律可表述为：当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率额负值，即： （2-1）在国际单位制中，i的单位为伏特，的单位为韦伯，t的单位为秒。应当指出，式（2-1）中的是穿过回路所围面积的磁通量。如果回路是由N匝密绕线圈组成的，而穿过每匝线圈的磁通量都等于，那么通过N匝密绕线圈的磁通匝数则为=N, 也叫做磁链。对此，电磁感应定律就可写成1： （2-2）2.2 基于近场磁感应无线电力传输原理根据电磁感应定律，发现交变电流能够产生交变磁场，磁场是能够在空气中穿过，交变的磁场又能感应出电流，那么就可以利用这一点来进行非接触式供电，也就是无线电力传输。本节从理论上分析平面线圈的电磁场分布情况。以为无线充电系统的设计提供理论依据。基于电磁场基本原理和磁场的叠加性，分析平面线圈电磁场的分布情况。根据毕奥一萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为： （2-3）首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0，半径为R，载有电流I。如图2.1所示。图2.1 单个线圈磁场分布在圆线圈上任取一电流元，设电流元到P点的矢径为，由于与垂直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元在P点产生的磁感应强度为： （2-4）其中，在与轴线所在的平面内，并垂直于。显然，线圈上各电流元在P点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把分成垂直于轴线的分矢量上和平行于轴线的分矢量。由于对称关系，互相抵消，而互相加强，所以： (2-5) (2-6)令，那么 (2-7)函数有两个拐点，它们位于处，即线圈轴线上的磁感应强度在线圈平面内，两边距线圈中心R/2处。将另一个结构完全相同的线圈平行共轴放置，通以相同的同方向电流，那么两个线圈产生的磁场在轴线上将叠加。随着两线圈的距离不同，合成磁场在轴线的分布将不同。然而，无论线圈距离为何，对于两线圈中心点0来说，磁场呈对称分布，故有B(x)=B(-x)，将B(x)围绕x=0作泰勒级数展开： （2-8）由于B(x)=B(-x)，即B是x的偶函数；故奇次项系数，都为零。若选择线圈的距离为R，中心点0处恰为两个线圈磁场在轴线上的拐点重合处，则有，那么B(x)=B(0)=O(x4)。O(x4)代表x的四次方以及更高次幂的小量，所以，B(x)将沿中心轴线在相当大的范围内均匀。当两个线圈的间距等于它们的半径时，中心点O附近沿轴向分布的磁场最均匀，这样放置的两线圈就称为亥姆霍兹线圈。平面线圈按周长近似相等原则可简化为同心圆结构，简化后的线圈由n个单匝空心圆柱线圈组成，平面线圈的磁场可看成是n个单匝空心圆柱线圈产生磁场的叠加，周围空间磁场只具有径向和轴向分量，整个磁场具有对称性。平面线圈的磁场对称分布这一特性，对于电磁能量耦合产生了两种有效结果。由于磁场集中分布于两个平面线圈形成的柱形空间体内部，一方面能量集中分布，即实现近场能量耦合，漏磁小，根据能量守恒定律，磁能转化为电能，损失小，从而提高电磁转换效率；另一方面降低电磁噪声，减少了电磁辐射。近场磁感应式无线电力传输系统主要原理即电磁感应原理。变压器也是基于此原理运行。磁能在空间中以场的形式存在，在初级线圈上施加交变电压，线圈中产生交变电流，于是在周围空间产生交变磁通。当次级线圈处于磁场范围内时，在线圈中产生交变电场，从而实现电能从初级线圈到次级线圈的传输。为了提高效率，传统变压器的初级线圈和次级线圈通过铁心连在一起。由于铁心采用高磁导材料，且使用环形结构，磁路闭合，因此互感很大，漏感极小，传输效率高。如果将变压器的初级线圈和次级线圈分离，也就是初级线圈和次级线圈之间没有物理连接，仅仅隔着空气，这就是近场磁感应式无线电力传输系统的原型，如图2.2所示。图2.2 近场磁感应式无线电力传输系统的原型无线供电系统要求发送线圈和接收线圈两部分组成。系统工作时，首先将发送端电源提供的交/直流电通过谐振变换器或调频调制模块转换为高频交流信号，然后驱动发射线圈，使发射线圈在周围一定距离的空气范围产生磁场。接收线圈位于这个电磁场中，发射线圈的磁通量的高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势。2.3 基于电磁耦合共振的无线电力传输原理利用传统的电磁感应原理进行无线传输的技术已为人所熟知，并且在一些场合得到应用，然而利用这种方法，传输距离比较短，传输的功率也很小。后来人们又发展了基于磁场耦合共振的无线电力传输理论。基于磁场耦合共振的无线电力传输依然离不开电磁感应原理，仍然是将磁场作为传输介质，但是其实通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量。利用这种方式进行能量传输，不但可以提高传输的功率与效率，同时可以将传输的距离提高到几米而不会受到空间障碍物的影响。共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。基于磁场谐振耦合的无线电力传输的理论基础是耦合模型理论(CMT)。在耦合模型理论中，对于由两个物体1和2构成的共振系统，设两个物体的场幅值分别为和，在无激励源的情况时，对一个存在损耗的系统，系统满足方程2： (2-9) (2-10)式中，、是各自的固有频率，、是固有损耗率，取决于物体的固有(吸收，辐射等)的损失，是耦合系数用矩阵形式表示即为: (2-11)其中，。对于共振系统，具有相同的共振频率，可以认为，于是可求解得到B的特征值，即系统的固有频率： （2-12）可见，由于耦合的关系使系统的固有频率分开，之间的差别为2k。假设t=0时，已知值，且，代入，为简化计算，当时，可以忽略损耗，求得在物体1、物体2中所含能量表达式为： （2-13） （2-14）可见，两物体能量的交换最小损失发生在这一时刻。耦合系数k体现了系统的两物体之间传递能量的速率，当时，在这一时刻，除了比较小的损耗外，能量比较理想地由物体1完全传递到物体2。基于磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型如图2.2所示。图2.3 磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型其中，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大，通过一个线圈将能量感应到发射装置中发射与接收装置实为两个具有相同结构的天线发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由发射装置源源不断传递到接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，两线圈应同轴。第三章 影响无线电力传输效率的因素分析第二章节介绍了近场磁感应无线电力传输系统和磁耦合共振无线电力传输系统的原理，很明显磁耦合共振无线电力传输系统在效率和距离上面都要优于近场磁感应无线电力传输系统。对于本文将要设计的无线充电器，基于磁耦合共振的无线电力传输系统结构较为复杂，需要一个发射线圈、两个共振线圈、一个接收线圈，所需发射频率高，主要用于中程输电，不适合用于设计小型的无线充电器。而基于近场磁感应的无线电力传输系统仅需要一个发射线圈一个接收线圈，并且技术发展成熟，适合用来设计锂电池的无线充电器。效率是人们对无线电力传输系统最关心的问题，也是衡量一个设计方案优劣的主要因素。本章节将论证线圈距离与半径，谐振补偿方式、线圈尺寸、发射频率对近场磁感应式无线电力传输系统效率的影响3。3.1 近场磁感应无线电力传输系统模型本设计的无线充电系统，基于电磁感应原理，利用原、副边的两个线圈的电磁耦合9，实现电能的传输。系统的电路图如图3.1所示。图3.1 互感原理图L1为原边线圈电感，L2为副边线圈电感，R1为原边电阻，R2为副边电阻，RL为负载电阻，M为互感。由于原副边线圈之间的漏感较大，故不能忽略，可以将电路等效为如图3.2所示的模型。图3.2 等效电路图Lm为线圈之间的互感，L1S为原边线圈的漏感，L2S为副边线圈的漏感，其余同上。设线圈间的耦合系数为K，R1与L1S的合阻抗为Z1，R2与L2S的合阻抗为Z2，Lm的阻抗为Zm4。 （3-1） （3-2） （3-3）无线传能的传输效率可表示为 （3-4）为负载上的电压和电流，为电源的电压和电流。由于线圈之间是间隙耦合，K值很小，由上式显然可见，漏感L1S,L2S很大，使得Z1,Z2很大，从而使系统的传输效率很低。接下来将探讨各种参数对传输效率的影响，找出提高系统传输效率的方法。3.2 距离与线圈半径对效率的影响由2.2节式2-5可知，线圈在P点产生的磁场与P点到线圈的距离的三次方成反比，与线圈的半径成正比。即： (3-5)因为磁通量: (3-6) (3-7)耦合系数： (3-8)根据式3-2、3-3、3-4可以得出 (3-9)由式3-5可知，要提高效率，可以增大耦合线圈的半径，减小线圈间的距离。下面将制作相应线圈来验证距离与线圈半径对效率的影响。3.2.1 距离与效率关系本次设计采用漆包线绕制的两个完全相同的线圈，测试条件：表3-1 距离与效率关系测试条件线径线圈直径匝数线圈电感0.44mm10cm10匝25.5uH测试方法：将初级线圈接入电感表，次级线圈两端用导线接在一起。如图3.3所示。图3.3 线圈互感测量图两线圈正对，移动次级线圈，记录在不同的距离L下，初级线圈的电感值，用初级线圈的原电感值减去有次级线圈影响时的电感值，即是此距离下两个线圈之间的互感。共测量十组数据，如表3-2所示。表3-2 距离与互感关系距离cm互感uH耦合系数距离cm互感uH耦合系数021.70.0333331.00.70.0137250.31.60.0313731.50.50.0098040.41.40.0274512.00.40.0078430.51.20.0235292.50.30.0058820.610.0196083.00.30.005882实验结果表明距离与互感近似为关系，与上述理论相符。3.2.2 线圈半径与效率关系测试条件如表3-3所示。表3-3 半径与效率关系测试条件线圈距离线径匝数1cm0.44mm10匝测试方法同上。共测6组数据，如表3-4。表3-4 半径与效率关系测试条件半径cm电感互感uH耦合系数半径cm电感互感uH耦合系数59.60.10.001961818.40.30.005882613.40.20.003922920.70.40.007843715.10.30.0058821024.60.60.011765实验结果表明线圈与互感近似为正比关系，与上述理论相符。3.3 补偿方式对效率的影响由于原、副边线圈存在很大的漏感，所以要提高系统的效率，需要加入适当的补偿，减小漏感的能量消耗，使电路工作在谐振的状态。电路的补偿有四种结构，分别是初级串联补偿（PS），初级并联补偿(PP)，次级串联补偿(SS)，次级并联补偿(SP)，由于系统的初级，次级线圈都有漏感的存在，所以对双边同时进行补偿，会有很好的补偿效果，能进一步提高系统的传输效率。四种双边补偿结构如下四幅图：图3.4 初级串联，次级串联PSSS图3.5 初级串联，次级并联PSSP图3.6 初级并联，次级串联PPSS图3.7 初级并联，次级并联PPSP各种补偿就是在线圈两端加入合适大小的电容。下面就以初级串联补偿为例进行分析，设系统的工作频率不变，初级串联补偿（PS）等效电路如图3.5所示。图3.5 初级串联补偿（PS）等效电路C1为加在原边的补偿电容。在这种补偿结构下，阻抗Z1,Z2,Zm可表示为。 （3-10） （3-11） （3-12）将3.10，3.11，3.12带入式3.4，可得 （3-13）分析此式可知，当时，取得最大值，即系统的能量传输效率最高。所以，在初级串联补偿下，要使系统的效率最高，初级串联补偿电容应取。以同样的方法，对其他三种补偿进行分析，分别可以得到这三种补偿的最佳电容选取值。初级并联补偿（PP），次级串联补偿（SS），次级并联补偿（SP），当采用初级串联补偿时，补偿电容与漏感发生谐振，发生谐振时Z1为零，消除了在阻抗Z1上要消耗的大量无功功率，从而提高了初级系统的功率因数，使初级可以发射较大功率。采用初级并联补偿时，补偿电容与漏感并联谐振，有，也就是，当发生谐振时，导纳为零，阻抗无穷大。实际上，因为互感的存在，能量会被负载消耗掉，而电源会同时为LC电路补充能量，但因为线圈见的互感比较小，所以这种方式的功率因数，比较串联补偿要低很多，不能发射很大的功率。综上考虑，初级线圈采用串联补偿为佳。下面对双边补偿进行综合分析。当采用双边补偿时，次级补偿的加入会对初级补偿参数的确定产生影响，根据上文的阻抗公式与分析方法，可以得出四种补偿的功率因数。 （3-14） （3-15） （3-16） （3-17）由上面的公式可得出，谐振时，使系统的效率最大，初级，次级应选择的电容值，如下表3-5所示。表3-5 四种补偿的电容选择公式PSSSPSSPPPSSPPSPC1C2发生谐振时，（3-14）到（3-17）式可以进一步简化为如下形式。采用初级串联补偿，次级串联补偿时 （3-18）采用初级串联补偿，次级并联补偿时 （3-19）采用初级并联，次级串联时补偿时 （3-20）采用初级并联，次级并联补偿时 （3-21）根据上面的分析，可知初级串联补偿，比初级并联补偿传输效率高。3.4 谐振对效率的影响上一节经过理论分析得知PSSS初级串联、次级串联补偿方式的传输效率最高，接下来讨论的谐振对效率的影响都只针对PSSS补偿方式。经过串联补偿的系统电路可以看成是一个串联LC振荡电路，模型如图3.8所示。图3.8 串联LC振荡电路串联LC震荡电路谐振公式： （3-22）当发射频率f、线圈电感L、补偿电容C满足式3-22，系统即发生谐振，发生谐振时电能都消耗在了线圈的电阻上。下面实验将分别验证电容大小和频率大小对频率的影响，进而验证在谐振状态下传输效率为最高。3.4.1 补偿电容容值对效率的影响首先制作两个线圈，线圈使用PCB线圈，这样可以保证线圈相同，且易于测试。将线圈依次串联上不同的容值得电容，这里的补偿电容选用CBB薄膜电容，CBB电容拥有频率特性好，稳定性好，损耗极低等优点。因为没有精确的电源，很难直接测试出效率，那么就直接测量次级线圈的感应电压大小，进而推断出效率大小。测试设备：示波器。表3-6 补偿电容容值与效率关系测试条件线圈距离线径匝数线圈半径电感频率发射电压补偿方式1cm20mil18匝7.5cm7.6uH400KHz5VPSSS表3-7 补偿电容容值与效率关系测试结果初级补偿PF次级补偿PF初级发射幅值V次级感应幅值V2002000.350.243003000.500.325105100.760.41100010002.01.1150015003.01.5220022005.02.5330033007.94.0390039008.54.2470047008.84.2510051008.44.1680068007.43.8820082007.93.310000100006.43.222000220005.42.6根据表3-7可以看出补偿电容不是越大越好，而是有一个适当的值，使系统工作在谐振状态下，无线电力传输的效率较高。3.4.2 发射频率对效率的影响依然使用上一实验使用的线圈，用函数发生器加载不同频率的正弦波，用示波器观察次级线圈的感应电压大小。 测试设备：TX01函数发生器，示波器。表3-8 发射频率与效率关系测试条件线圈距离线径匝数线圈半径电感补偿电容发射电压补偿方式1cm20mil18匝7.5cm7.6uH6800PF5VPSSS表3-9 发射频率与效率关系测试结果发射频率KHz初级幅值V次级幅值V发射频率KHz初级幅值V次级幅值V1002.00.358908.03.12003.11.49008.23.13003.73.19108.03.15004.03.29307.83.27003.53.19507.53.28002.43.110006.33.28202.33.112005.43.48504.03.115005.24.28706.33.120005.06.8根据表3-9实验结果可知，发射频率不是越大越好，使系统处于谐振状态时效率最高。本章用理论和实验共同分析验证了线圈距离、线圈半径、补偿方式、补偿容值、发射频率对输电效率的影响。这对接下来设计一个无线充电器提供了理论帮助。第四章 无线充电器硬件设计4.1 需求与技术难点分析在本章中将设计一款基于单片机的无线充电器，这个充电器需要给两节串联的锂电池充电。两节串联的锂电池能够提供7.4的直流电压，经过降压处理后可以方便的为一些3.3、5的集成电路系统供电。要想达到较高效率首先要设计出一组合适的发射与接收系统，其次逆变、整流、变压电路部分也是影响系统效率的因素。细化的需求如下：（1）整个充电器的充电效率要尽可能的高，减少能量浪费；（2）充电器要能够自动识别接收端是否存在，不存在时要能够自动切断线圈电压；（3）充电器要能够识别电池电量是否充满，充满后能够自动停止充电；（4）充电器要实现三段式充电，以保护锂电池的寿命和安全。基于以上要求，本充电器需要克服的难点：（1）无线电力传输部分设计，根据上一章节提供的理论依据计算出最适合的线圈尺寸，频率、充电距离等；（2）高频逆变电路设计，根据上一章节论述，要实现较高效率无线供电，就需要较高频率的交流电；（3）锂电池充电管理电路设计，需要实现三段式充电，预充电，恒流充电，恒压充电；（4）红外数据传输电路设计，这部分用于检测接收端是否存在，如果存在，接收端将通过红外通知发射端打开线圈电源。同时充满电后通知发射端关闭线圈电源。4.2 系统框架充电器主要包含两部分，发射端和接收端。充电的系统结构如图4.1所示：图4.1 充电的系统结构发射部分主要是给接收部分提供电源，并且接收部分发射过来的红外数据，判断是否需要通过继电器切断线圈电源或者打开线圈电源。而接收部分需要整流稳压后给电池充电，并且通过红外数据告诉发射部分是否需要充电或者充电是否完成。4.3 硬件设计硬件设计根据设计要求，在成本和性能的要求下，利用成熟的芯片方案或者电子技术，在限定时间内完成。硬件设计阶段需要注意电源、信号的完整性、电磁兼容性、功耗、散热等问题。电源设计影响到整个硬件系统的工作稳定性。信号完整性主要影响电磁兼容性和信号时序，不好的信号完整性设计会导致电路产生尖峰脉冲、高低电平出现毛刺、以及上升或下降时间变长，从而使得接收端产生误判断。信号的完整性需要在原理图设计和设计两个阶段多加考虑。原理图设计时，注意阻抗匹配，配以适当的退耦滤波电容。设计时候，采用双层板设计，规范化布线。功耗从电源功率和环保角度考虑。散热常用在电源器件稳压上，有些高集成的芯片也需要考虑散热问题。散热可以考虑在设计布局时增加覆铜面积，还有要注意产品外壳开通风孔。本文的无线充电器，包含模拟电路设计和数字电路设计。硬件设计遵循先整体后部分的设计准则。完整的硬件规划如图4.2所示。图4.2 硬件规划图无线充电器系统首先电流从电源出来后被逆变成高频交流电；经过电容补偿后加载到发射线圈上；接着接收线圈感应到电动势，向负载输出电流；电流经过次级补偿电容补偿；再通过全桥整流电路整流后，流过型滤波电路，变成可以使用的直流电；然后为锂电池充电电路提供电流从而实现了给锂电池充电的要求；接着8051410单片机用采集到感应电压以及充电信息，并判断充电等状态；单片机将判断出的状态通过红外发送出去；发射部分的红外译码管接收到红外信息后解码出数据传输给单片机；1104单片机根据接收到的状态信息判断是否需要切断接通逆变电路的电路。这样形成了一个完整的控制回路。所以设计说明将按照如下顺序进行说