无线电能传输装置电路设计

目录摘要21、设计要求22、系统方案32.1 无线电能传输的总体设计方案32.2谐振电路方案选择32.3高频信号发生电路比较与选择43、磁耦合谐振式电能传输工作原理分析及计算54、无线电能传输装置电路设计94.1、发射部分电路设计94.2、接收部分电路设计105、测试结果及分析106、元件清单117 结束语12附录一 实物图12附录二 总体设计电路图13无线电能传输装置摘要 文中介绍了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置。该装置包括了发射部分和接收部分，发射装置包括电源电路、震荡电路、驱动电路和发射线圈；接收部分包括了接收线圈、整流电路、稳压电路。测试结果表明：本装置接收线圈，在负载电阻为20欧姆输出电流0.5A时，输出电压大于等于8V，传输效率较高；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）时，在保持LED灯不灭的条件下，发射线圈与接收线圈间距离大于50cm。符合设计的基本要求，达到很好的效果。关键词：无线电能传输装置，磁耦合谐振电路，线圈1、设计要求设计并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。（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。（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。（3）其他自主发挥（4）设计报告2、系统方案为了实现该设计中的各项指标，设计并制作了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输入电源U1提供系统的供电，驱动电路负责产生谐振所需的震荡信号，并放大驱动发射线圈。接收线圈谐振接收发射线圈的电能通过电能变换电路供给负载。2.1 无线电能传输的总体设计方案方案一：使用感应式电能传输。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的，利用电磁感应进行短程电力传输。缺点比较明显，传输距离较短，从本设计来看，该方案无法达到十几厘米或更远的距离。故放弃该方案的选择。方案二：磁耦合谐振式电能传输。该方式以谐振“磁耦合”形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术在未来有着广阔的应用前景，具有高效率、远距离等优点，故本设计选择该方案进行研究。 2.2谐振电路方案选择 本设计使用并联式谐振电路其基本电路如图2所示，该电路具有回路Q值越高，回路选择信号能力强。为了使电路达到“磁耦合”必须选择合适的线圈和匹配电容。线圈采用单股铜芯，直径1mm的漆包线绕制而成，绕4圈，其电感量约为17uH。考虑到电子器件的性能，系统的工作频率越高对器件的要求也越高，为了平衡这一关系，同时达到系统的频率要求，本系统在实际设计中并联谐振电容，以降低谐振线圈的谐振频率。为使线圈谐振频率在100khz左右，采用在线圈两端并联电容。电容量、电容损耗、工作电压、绝缘电阻、频率特性和温度系数是电容器选择时需要考虑的特性参数。由于本文所选电容需要工作在较高频率，因此电容高频工作时的特性需要考虑。在高频工作时，电容损耗增加工作稳定性变差，因此电解电容和纸质电容不适合高频电路。综合考虑瓷片电容具有较好的高频性能，其是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。瓷片电容不仅有体积小的优点，其在高频电路中使用时，可靠性好、耐高温，且能抗高电压和大电流的冲击。由于瓷片电容器非常适用于高频电路，本设计选用瓷片电容器作为谐振耦合无线电能传输系统的谐振电容。图2 并联谐振电路2.3高频信号发生电路比较与选择方案一：采用单片机与DAC0832实现波形。数模转换器构成信号发生器，因为是软件滤波，所以一般不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较好。它的优点是性能较高，在低频信号范围内稳定性能好、操作很方便、体积小、功耗低等。但去输出的频率较低，难以达到1MHz的方波。故本设计放弃该方案的选择。方案二：采用FPGA产生波形。近年来，随着科学技术迅猛发展，先进的FPGA很快成为现代电子信息时代的主导控制核心。其波形控制灵活，可编程逻辑能力被广泛应用于医学仪器、航天测控、民用家电等领域。考虑到本组成员的知识层次还较低，驾驭fpga的能力尚浅，放弃了该方案的选择。方案三：采用分立元件NE555来实现非稳态的多谐振荡器，产生频率可调的方波信号发生器。这种信号发生器的输出频率范围比较窄，而且电路参数设定比较简单，其频率大小的测量需要通过硬件电路的调试与切换即可实现，操作实在是很方便。实现电路简单，方便易操作，成本较低，故本设计采用该方案进行产生高频信号。3、磁耦合谐振式电能传输工作原理分析及计算基于磁场耦合谐振的无线电能传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路构成，其中发射回路包括驱动线圈和发射谐振线圈，接收回路包括接收谐振线圈及负载线圈电路。发射线圈和接收线圈均为两个固有谐振频率相同的LC电路，当驱动信号频率与线圈固有谐振频率相同时，发射、接收线圈发生谐振，在磁场的作用下两线圈之间产生很强的耦合，实现电能的无线传输。示意图如图3所示。图3 磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图上图中发射线圈S与驱动线圈A耦合，接收线圈D与负载线圈B耦合，A与S、D与B之间的距离 、很小，它们之间主要是近距离感应耦合。系统正常工作时，驱动线圈A周围产生一个高频交变磁场，发射线圈S利用电磁感应从驱动线圈A获得能量，接收线圈D和发射线圈S具有相同的频率而发生谐振，两线圈之间形成一条能量传输通道，实现电能的无线传输。接收线圈D中存储的能量，以感应耦合的形式，转移到负载线圈B中，供负载使用，从而实现了电能在一定的距离内连续不断的传输。发射线圈S和接收线圈D的谐振频率可以通过接入外部电容调节到相同的频率。为使无线传输系统简单化，上述传输系统的发射回路可以简化为只包括发射谐振线圈，接收回路可以简化为只包括接收谐振线圈，如下图4所示就是本设计的简化模型。图4 磁耦合谐振式无线电能传输系统简化示意图由谐振频率公式： (1)可知，在忽略线圈自身的分布电容，按照上式计算只能得到大约的线圈谐振频率，受限于有限的实验条件，实验中采用实际测量的方法来较准确地得出线圈的谐振频率：把发射线圈直接接到信号发生器上，利用两个1W的发光二极管串联作为负载，在发射、接收线圈的距离一定时，调节信号发生器的频率，当发光二极管达到最亮时信号发生器的频率即为线圈的谐振频率。由于磁耦合谐振无线电能传输系统的最佳频率段为100KHz，显然频率也不能无线的增大，且频率越高对器件的要求越高，而市面上的器件往往不易满足大频率的要求。对于确定的磁耦合谐振式无线电能传输系统，当系统的频率变化时，传输效率也发生变化。当系统的驱动信号频率与线圈的谐振频率相同即时，传输效率最大；当系统的驱动信号频率偏离线圈的谐振频率时，传输效率逐渐下降。两线圈间的耦合系数k表征的是两个线圈间的能量传输速度，主要是由两线圈间的距离来决定。耦合系数k越大，能量从一个线圈传输到另一个线圈的速度就越快，就越容易建立起稳定的能量传输通道。磁谐振耦合无线电能传输系统主要由高频驱动信号、驱动线圈、发射线圈、接收线圈、谐振电容和负载回路等构成。为简化系统分析，仅对发生谐振耦合的发射和接收两线圈进行等效分析。谐振耦合式电能无线传输系统等效电路模型如图5所示，其中U为理想高频信号源，频率为，、分别为发射线圈、接收线圈在高频下的电感量，、分别是发射、接收线圈在高频下的寄生电阻，、分别为发射、接收线圈的匹配电容(线圈自身分布电容可以忽略不计)，为负载电阻，M为两线圈之间的互感系数，D为两线圈之间的距离。图5 磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路设发射线圈流过电流的角频率为，有效值为，当发射、接收线圈处于自谐振状态时，则有 (2) (3)对图5列KCL、KVL方程有 (4) (5)由式(3)、(4)、(5)得负载电流有效值、输出功率如式(6)、(7)所示： (6) (7)式(7)中与输入电压U成正比。系统的效率为： (8)其中，为发射线圈上损耗的功率，为接收线圈上损耗的功率。接收线圈上的电流为： (9)那么接收端线圈的损耗功率为： (10)发射端线圈的损耗功率为： (11)由式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)可以计算出系统的传输效率为：(12)利用诺依曼公式计算空间两线圈的互感，其中为真空磁导率，两线圈之间的互感近似为： (13)两线圈之间的耦合系数k为： (14)对于确定的磁耦合谐振式无线电能传输系统(谐振频率以及、已定)，当系统的频率变化时，传输效率也发生变化。当系统的驱动信号频率与线圈的谐振频率相同即时，传输效率最大；当系统的驱动信号频率偏离线圈的谐振频率时，传输效率逐渐下降。两线圈间的耦合系数k表征的是两个线圈间的能量传输速度，主要是由两线圈间的距离来决定。耦合系数k越大，能量从一个线圈传输到另一个线圈的速度就越快，就越容易建立起稳定的能量传输通道。当把系统的驱动信号频率固定在谐振频率()，耦合系数k变化时，由(11)、（13)式可以看出k越大，系统的传输效率越高。4、无线电能传输装置电路设计4.1、发射部分电路设计 发射电路主要由、NE555多谐振荡器电路、驱动芯片IRF540、发射线圈等组成。其电路如图6所示。图6 无线电能发射电路输入15V,主要作用是提供NE555、驱动芯片IRF540、发射线圈等系统所需要的合适电压。NE555组成的多谐振荡器电路为系统提供所需要的震荡波形。NE555功能强大，其各个引脚功能如下： Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。4.2、接收部分电路设计接收电路由接收线圈、整流电路、稳压电容等构成，其电路如图7。为了更容易实现接收与发射产生谐振，接收线圈并联的电容应与发射线圈并联的电容容量大小一样。为了得到稳定的直流电供给负载，由于接收线圈接收到的是交流电压，必须经过图中四个二极管组成的整流电路BR1。输出由1个47uF的电解电容组成，这样会得到更加稳定的直流电。图7 无线电能接收电路5、测试结果及分析 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，负载为20欧姆电阻时，该无线电能传输装置的输出电压及效率数据如表1所示。表1：输入电流（A）输出电压输入功率输出功率效率（%）0.849.912.64.9038.90.8210.012.35.0040.60.8510.212.755.2040.70.8410.112.65.1040.40.8210.012.35.0040.60.8510.012.755.0039.20.8410.112.65.1040.40.849.812.64.8039.00.8410.112.65.1040.40.839.912.454.9039.30.8410.112.65.1040.40.8310.112.455.1040.9根据上表计算出效率的平均值为：40.35%。 通过调试，我们发现振荡器频率为800KHz1MHz传输效率较高。6、元件清单序号名称数量1N4007 1只1N4148 4只IRF540场效应管 散热片 螺丝555脉冲模块电解电容43uf 200ufCBB电容104 4只按键开关 1个 充电线圈 2个端子 3个 金属膜电阻1K 1个金属膜电阻20 1个LED 红 1只 1WLED 2只万用板 2张12V充电器