【无线供电技术的设计与应用4700字（论文）】

无线供电技术的设计与应用摘要电源问题是制约无线传感器网络大规模应用的关键因素。文章围绕延长无线传感器网络工作周期，以结点微能源自供电为研究对象，分别从微能源采集、能量存储和能量供给3方面对无线传感器网络中的微能源自供电技术展开讨论。分析了结点微能源采集及管理技术现状，提出解决无线传感器能源问题要从能量采集入手，通过高效存储和节能降耗等技术使传感器结点实现能量自给自足；同时，对无线传感器网络中各种能量采集的原理与方法、锂离子电池与超级电容器等储能技术的运用及发展方向、微能源供给方案及降低能耗的措施进行了详细分析。关键词：电磁耦合；无线供电；电磁波目录TOC\o"1-3"\h\u108081引言 1185582无线供电技术的历史、发展与现状 1320883基本原理 2258483.1电磁波方案 3153583.2电磁感应（磁耦合）方案 3276214系统构成与分析 5248905结束语 718005参考文献 71引言无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。无线电技术大量应用于以无线广播、电视、移动通讯和无线数据传输网络中。既然电磁波不需要介质也能向外传递能量，那么我们能不能在电力传送上也采用无线传输的方式呢？近年来，各种低功耗设备器材，如：手机、医疗仪器、检测仪表等越来越多，采用有线连接供电或对电池充电时，需要一个充电器，一端与市电相接，另一端连接在设备上，频繁使用会造成接插危险、阻碍运动等缺点，而无线供电技术则能有效解决上述问题，因此，其研究被国际社会所关注。无线供电技术就是通过电磁场感应原理，将电能以无线的方式传输给负载。这种近距离无线供电技术，给人们的生活带来了极大的方便，可以轻易地给低功耗设备充电，因此，有着广泛的应用前景。2无线供电技术的历史、发展与现状实际上无线供电的设想早在一百多年前就已经出现。在1890年，尼古拉·特斯拉，这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法，最后提出了一个非常宏大的方案—把地球作为内导体、距离地面约60km的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像电能能像广播一样传遍全球。1900年，特斯拉得到了15万美元的研究经费(51%来自于.P.摩根)，并开始计划建造华登克里夫塔。特斯拉希望用这个塔进行跨大西洋的无线电广播和无线电能传输实验。特斯拉最终建成了一座高187英尺的铁塔，铁塔顶部有一个直径为68英尺的半球型圆顶。铁塔尚未完工，特斯拉就迫不及待地开始了他的实验。1908年，特斯拉停止了无线电能传输实验。后来因为摩根的撒资，特斯拉陷入了经济困难，华登克里夫塔也被拆除抵债。尽管特斯拉的研究最终没有结果，但是他当初的无线供电构想绝对是足够大胆。到了20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Ud:论述了无线供电概念的可行性;20世纪30年代美国的学者开始研究不利用导线去点亮电灯的输电方案。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功，20世纪60-70年代，Raytheon公司的WilliamC.Brown做了大量的无线供电方面的研究工作，使得这一概念变成实验结果，奠定了现代无线供电的实验基础。他所演示的直流一直流转换效率在54%左右。20世纪90年代，由于无线通信频率的扩展，为避免对2.45GH濒段通信的潜在干扰，美国宇航局倾向于把5.8GHz的频率用于无线供电。这两个频点的大气穿透性很好，相应元器件的转换效率很高。1998年，5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率达到了82%。莫斯科大学的研究组也在无线供电与卫星太阳能电站方面进行了大量理论与实验研究，研制出无线供电的关键器件一决回旋电子束波微波整流器。2000年以后，无线充供电新技术越来越频繁地在各大通信技术展、电源新技术展上露面，各大公司也纷纷推出自己的研究成果。2007年6月，麻省理工大学的MannSolijacic和他的研究团队公开做了一个演示，他们给一个直径60cm的线圈通电，点亮了大约2m之外连接在另一个线圈上的60W灯泡。Marin小组称，目前他们已经将传输效率提高到了90%。不过，该技术仍旧面临着一些问题，目前使用的铜线圈非常笨重，足有0.6m高，如果要实现对整座房间内的电器自动充电，铜丝线圈的直径预计将达2.1m。因此，该技术下一步的研发目标是在提高传输效率40%左右的同时缩小发射端和接收端的体积，并将目前最远仅有2.7m的传输距离扩大。在2008年8月的英特尔开发者论坛上，西雅图实验室的约书亚·史密斯(JoshuaR.Smith)领导的研究小组再次向公众展示了这项基于“磁藕合共振”原理的无线供电技术，在展示中成功地点亮了一个lm开外的60W灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线，此次系统中无线电力的传输效率达到了75%。在2009年Windows7的发布会上，微软CEO鲍尔默更是带来了最新的无线视频输出和无线供电技术。3基本原理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和转化。变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成，如图3-1所示。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。一般的变压器的原边和副边由闭合铁心(或其他磁性材料)连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。图3-1一般的变压器本文介绍的无线供电原理与变压器类似，其装置与一般变压器所不同的是，初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，没有任何物理上的接触，线圈间的耦合比较松散。该系统相当于分离式疏松耦合变压器，为防止漏磁过大所产生的电磁辐射对人体的影响，我们可以减少原边和副边间的空隙。3.1电磁波方案1.原理电磁波，俗称无线电波是人们非常熟悉的一个概念。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。2.应用美国一家公司PowerCast开发了这项技术，整个系统基本上包含了两个部件，称为PowerCaster的发射器模块和称为Powerharvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。3.2电磁感应（磁耦合）方案1.原理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和转化。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，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。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。对图2-2所示的变压器基本电路，两个端口的电压降可表示为：式中L1、L2和M分别为初级电感、次级电感与互感，ZL是负载电阻。初、次级间耦合度可用耦合系数K来定义：耦合系数反映了变压器的优值，对于一个近似于理想的变压器，可简单表示为：V1/V2≈L1/L2≈N1/N2式中N1与N2分别是两个电感的匝数，就是所说的电压比等于匝数比。图3-2变压器示意图2.应用应用于无线供电或充电的装置而言，其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，因而线圈间的耦合是比较松散的。该系统相当于一个分离式疏松耦合变压器，选用Ferrite芯增加其耦合效率、减少漏磁。最早使用电磁感应原理传输能量的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，不采用直接充电方案，在充电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，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3W。日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源，很有创意，用途也十分广泛。例如，可将它铺在地板上或桌子上，或嵌入在墙壁上，为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电，为鱼缸水中灯泡或小型电机供电。薄膜电源由四层塑料薄膜组成，最低一层是电导可控的有机晶体管，上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈，再上面是接通或关闭电源的MEMS开关，最上面一层是传送电能的铜线圈。制作工艺采用了丝网印刷和类似于喷墨打印的新工艺。它的工作过程是这样的；当物体处于薄膜2.5cm范围内时，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用感应原理向设备供电。据称，该项技术的效率是很高的，电源传输效率可81.4%。目标的价位每平方米约100美元。英国一家公司Splashpower推出一款利用电磁感应原理的手持式设备无线充电器。主机SplashPad是一个经久耐用、鼠标垫大小充电座，另一个部件是安置在PDA或手机内的SplashModule。图3-3是它的原理示意图。当设备放置在SplashPad上时，SplashModule有效地从充电器吸收能量，为设备中的电池充电。SplashModule可按产生的电功率要求、空间大小和形状定制，直接整合在设备中，或作为一个附件使用。它的优点是：高效率接收器，符合设备充电协议。实时、合理的检测器，防止充电器误用。自动处于低功率状态，符合欧洲EnergyStar准则。可缩放的磁芯体拓扑，支持目前的和未来的产品市场。图3-3Splashpower系统示意图电磁感应还被用来为MEMS器件供电。MEMS器件，尤其是内置执行器的微型器件对电源有特殊要求，这里无线供电就显示出它的优越性，没有物理限制，高电压和高功率可能性。4系统构成与分析图4-1所示为一个简易的近距离无线供电系统的结构图，发射端由原线圈，原磁心和控制电路组成，接收端由副线圈，副磁心，整流滤波，DC-DC转换器构成。当系统工作时，将负载的接收线圈靠近发射线圈，通过电磁感应，发射端的能量即传输到接收端。图4-1简易无线电供电结构在图3-1中，桥式逆变电路由四个PowerMOSFETQ1、Q2、Q3和Q4构成。当Q1/Q4时导通时，Q2/Q3须关断；相反，当Q2/Q3时导通时，Q1/Q4须关断。Q1/Q4和Q2/Q3轮流开通，可以将直流电逆变为交流电，为发射端线圈提供交流电流，开关频率f=100kHz。由于PowerMOSFET存在着较大的输入电容，驱动电路为开关时的充放电提供了足够大的电流，保证了足够的开关速度。为了保证Q1和Q2能够正常开启，其控制电压需大于DC值与MOSFET开启门限电压之和。通过电磁感应，副线圈感应出交变的电压，经过整流器滤波后变为直流电压，之后再经过DC-DC转换器，输出指定的电压值给负载供电。由于原线圈和副线圈的电感、耦合系数等因素的互相关联，上述电路的完整分析比较复杂，下面只进行简单的分析。在忽略线圈的分布式电容、电阻和磁芯损耗电阻等的影响下，图3-1所示的简易等效电路图如图4-2所示。图4-2简易等效电路图其中,Vs是开路电压,Zs是负载阻抗,L1是原边电感,L2是副边电感,k是耦合系数，Zs是线路等效阻抗，L1,m是原边磁化电感，L1,m=K2·L1。L1，leak是原边漏磁电感，L1，leak=(1-K2)·L1。设原线圈电感为L1，副线圈电感为L2，它们之间的互感为M，则耦合系数k为：原边线圈电感L1被分成两部分：一部分L1，leak是其漏磁电感；另一部分L1,m是磁化电感，它们的值如图3-3所示。根据阻抗变换规则，副边的电容C2和负载阻抗ZL等效到原边后的阻抗如图3-3所示。为了降低损耗，增加系统的效率，原边补偿电容C1应与原线圈的漏磁电感L1，leak构成串联谐振电路。原线圈的磁化电感L1,m与副边补偿电容C2的等效电容构成并联谐振。根据谐振式：将两组谐振电路的电容值和电感值代入上式中，分别有：上面两个式子为估算电容C1和C2提供了依据，还需要与试验的方法相结合，测试出合适的值。5结束语本文根据电磁感应原理，介绍了一种无线供电技术并简单设计了一个简易模型，初步分析了电路模型、耦合结构和磁性材料等问题。无线供电技术具有无线连接、安全等优点，因此具有较好的市场应用前景。参考文献[1]夏增林,陈启军.简易无线供电系统设计[J].微计算机信息,2005,21(25