無(wú)線供電技術(shù)方案.doc

一、研究技術(shù)背景無(wú)線輸電技術(shù)（是一種新型的電能傳輸技術(shù)，它涉及電源技術(shù)、無(wú)線電磁波技術(shù)、電池充電技術(shù)等，屬于世界電能傳輸?shù)那把仡I(lǐng)域。無(wú)線輸電即利用無(wú)線電磁波或變化電磁場(chǎng)進(jìn)行電能的無(wú)線傳輸。這一技術(shù)不受空間限制，能夠克服有限輸電方式各種弊端，不僅在工業(yè)場(chǎng)地機(jī)器人、深水勘探、核能反應(yīng)堆調(diào)試、油田礦井、航空航天、電動(dòng)汽車充電站、無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。又如無(wú)繩家用電器、植入醫(yī)療器械充電等民用領(lǐng)域也具有極大應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。在慶祝中國(guó)科協(xié)成立五十周年學(xué)術(shù)活動(dòng)中，無(wú)線輸電技術(shù)被評(píng)為“十項(xiàng)引領(lǐng)未來(lái)的科學(xué)技術(shù)”之一。無(wú)線輸電的提出最早要追溯到一百年前的尼古拉特斯拉。他被稱為開(kāi)啟電與磁之門的人。他是現(xiàn)代電子工程奠基人，并發(fā)起了第二次工業(yè)革命。他不僅在電磁學(xué)和工程學(xué)上具有很高的成就，而且也被認(rèn)為對(duì)彈道學(xué)、機(jī)器人、資訊科學(xué)、核子物理學(xué)和理論物理學(xué)各種領(lǐng)域都有貢獻(xiàn)，包括我們今天使用的互聯(lián)網(wǎng)，也是其貢獻(xiàn)之一。1889年尼古拉特斯拉發(fā)明了“無(wú)線輸電方法”。于是他在美國(guó)的科羅拉多泉建設(shè)無(wú)線輸電實(shí)驗(yàn)室研宄及開(kāi)發(fā)此項(xiàng)“無(wú)線輸電”技術(shù)，即將普通的低頻至高壓電流轉(zhuǎn)化為“高頻電流”，然后再經(jīng)由空氣作為傳送媒介來(lái)輸送電能。此項(xiàng)“無(wú)線傳電”技術(shù)不單單省卻了輸電電纜的成本，還可以免去輸電時(shí)因電阻所致的電能損耗。經(jīng)過(guò)八個(gè)月的研究后，特斯拉決定在長(zhǎng)島試建首座名為“特斯拉線圈”的電力發(fā)射塔，當(dāng)時(shí)他建造了一巨大的特斯拉線圈，搭建在直徑為英尺，高為英尺的發(fā)射塔上，試驗(yàn)中他把頻率為發(fā)射功率為的電能輸送給特斯拉線圈上進(jìn)行發(fā)射，天線塔頂周圍的射頻電壓高達(dá)。特斯拉試圖把電量輸送到世界各地，定向?yàn)橐恍┕铝⒌攸c(diǎn)提供照明供電。但是由于特斯拉的無(wú)線輸電實(shí)驗(yàn)耗資巨大，并且其方案并沒(méi)有解決電能定向傳送這一關(guān)鍵問(wèn)題，在后期美國(guó)安全安全部也對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行干涉，最終特斯拉的無(wú)線輸電方案沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)。歷經(jīng)一百多年的空白，今天的無(wú)線領(lǐng)域，電磁微波技術(shù)已經(jīng)完美的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)線傳輸，但在應(yīng)用于能量傳輸方面還未有長(zhǎng)足的進(jìn)展。其中最主要的問(wèn)題是全向福射所導(dǎo)致的能量過(guò)度散失。2007年，國(guó)外學(xué)者對(duì)于利用共振原理來(lái)提高處在非福射場(chǎng)中的兩個(gè)物體間能量的傳輸效率進(jìn)行了可行性分析結(jié)論表明有著相同共振頻率的兩個(gè)物體可以更加高效的進(jìn)行能量傳輸，即相比沒(méi)有發(fā)生共振的物體，能量散失損耗更低。在經(jīng)典的共振工程應(yīng)用中，如聲波系統(tǒng)、電磁場(chǎng)系統(tǒng)、核子系統(tǒng)，普遍存在一個(gè)的“強(qiáng)辛禹合”的現(xiàn)象。如果我們能夠使無(wú)線輸電系統(tǒng)達(dá)到此狀態(tài)，能量的傳輸效率將會(huì)非常高，即使相隔一段距離也可以實(shí)現(xiàn)中高頻的能量傳輸，同時(shí)不論周圍空間布局如何變換，所建立的能量共振傳輸通道都會(huì)使無(wú)線輸電系統(tǒng)具有相對(duì)較好的安全性和穩(wěn)定性。本項(xiàng)目正以此為基礎(chǔ)對(duì)無(wú)線輸電技術(shù)進(jìn)一步的分析與研究。本項(xiàng)目所研宄的磁耦合共振型無(wú)線供電系統(tǒng)正是基于此建立的。此系統(tǒng)是由美國(guó)MIT在2007年提出的，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在Science雜志上。與傳統(tǒng)的感應(yīng)式與微波式無(wú)線輸電系統(tǒng)不同，磁戰(zhàn)合共振無(wú)線輸電系統(tǒng)利用共振的原理大幅提高了無(wú)線傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了高效的中距離無(wú)線電能傳輸。本項(xiàng)目主要研究此系統(tǒng)電磁場(chǎng)近場(chǎng)范圍內(nèi)諧振模型、系統(tǒng)傳輸模型的特性與系統(tǒng)共振頻率的準(zhǔn)確計(jì)算方法。磁耦合共振無(wú)線輸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能量發(fā)射是非福射的，相對(duì)于電磁感應(yīng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)，此系統(tǒng)減少了空間能量散失。無(wú)負(fù)載情況時(shí)，發(fā)射端僅消耗較小自身發(fā)熱損耗和空間福射損耗，當(dāng)有負(fù)載進(jìn)入高頻電磁場(chǎng)范圍時(shí)建立共振能量傳輸通道進(jìn)行能量傳輸。此系統(tǒng)以空氣為傳輸媒介，工作是僅在具有相同的共振頻率的發(fā)射接收設(shè)備間進(jìn)行能量的傳輸，因此具有很好的安全性。此系統(tǒng)還有良好的穿透性，不受空間障礙物干擾，可穿透墻體實(shí)現(xiàn)隔墻供電。與磁感應(yīng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)相比傳輸距離提高了數(shù)百倍，相比微波式無(wú)線輸電系統(tǒng)功率可大幅提升。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)根據(jù)發(fā)射接收線圈的特性，選擇最佳的工作頻率，使系統(tǒng)工作在“強(qiáng)耦合”狀態(tài)，系統(tǒng)的傳輸效率可以達(dá)到75%以上。二、主要技術(shù)指標(biāo)1、供電輸出電壓5.5V-6V2、供電距離大于300mm3、供電電流大于200mA可隔墻輸電。三、系統(tǒng)方案一個(gè)實(shí)際的諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，如圖所示，通常有以下幾個(gè)模塊組成：工頻交流電源、工頻整流模塊、高頻逆變模塊、發(fā)射線圈、接收線圈、高頻整流模塊、系統(tǒng)控制器模塊。圖1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)搭建完成后，系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。具體而言，市電首先通過(guò)整流模塊進(jìn)行整流，得到穩(wěn)定的直流電。直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變，加到發(fā)射線圈之上，經(jīng)過(guò)諧振式強(qiáng)磁耦合傳輸?shù)搅私邮站€圈。接收線圈上的電能再經(jīng)過(guò)高頻整流以及后續(xù)調(diào)理電路加到了負(fù)載上。系統(tǒng)在工作的時(shí)候通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線圈上的電流信號(hào)，來(lái)判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以此來(lái)調(diào)整逆變電路的控制信號(hào)，以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)輸出的目的。圖2 系統(tǒng)工作流圖1、逆變部分設(shè)計(jì) （1）逆變電路拓?fù)?高頻逆變電路是無(wú)線能量傳輸技術(shù)中非常重要的組成部分，其設(shè)計(jì)將很大程度上影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和高效性。目前常見(jiàn)的逆變電路有自激式（正激、反激），橋式等。A、正激式逆變電路 正激式逆變電路是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的逆變方案。圖3中，初級(jí)線圈通過(guò)一個(gè)靠近低壓側(cè)的 N 溝道 MOSFET 管來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈的逆變。由于 LC 串聯(lián)諧振時(shí)，等效阻抗為零；LC 并聯(lián)諧振時(shí)，等效阻抗為無(wú)窮大。所以在正激式逆變拓?fù)渲校⒙?lián)諧振更為適合。圖3 正激式逆變電路正激式逆變電路工作時(shí)，回路中會(huì)激起很大的沖擊電流和沖擊電壓，因此對(duì)于開(kāi)關(guān)管和直流電供電電源的要求較高。另外，由于激起的電壓波形中含有較多高次諧波分量，而這些分量無(wú)法通過(guò)諧振渠道進(jìn)行釋放，故而會(huì)以熱的形式在回路中耗散，所以這種拓?fù)涞男氏鄬?duì)較低B、半橋式逆變電路 相對(duì)正激式變換電路，橋式逆變電路輸出功率較大，對(duì)于器件要求相對(duì)較低。而半橋逆變和全橋逆變相比，輸出功率較低，但其使用的器件數(shù)量相對(duì)較少，因而控制電路較為簡(jiǎn)單，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，是一種常用的折中方案。圖4 半橋式逆變電路本項(xiàng)目將采用半橋式逆變電路，下面將具體分析一下其工作原理。為電路工作時(shí)，上下兩個(gè)橋臂 MOSFET：1Q 、2Q 的驅(qū)動(dòng)電壓，為使得半橋逆變正常工作，1Q 、2Q 交替導(dǎo)通。其導(dǎo)通時(shí)間間隔即所謂的“死區(qū)時(shí)間”，如圖中 t1t2。隨著開(kāi)關(guān)管的上下配合動(dòng)作，在A 點(diǎn)和地之間得到的電壓波形即為一個(gè)和半橋上臂的驅(qū)動(dòng)波形同步的方波。這個(gè)方波電源信號(hào)加在 LC 諧振電路上后，在電感上就得到了一個(gè)正弦波形。圖5 半橋式逆變電路工作波形示意圖2、開(kāi)關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路方案選用的是 TPS28225。該芯片是 TI 公司的一款專用于 N 溝道 MOSFET 高速半橋驅(qū)動(dòng)的芯片。該方案允許的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為4.5V 至 8.8V，并具有 14ns 的自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制功能。另外，該芯片的最高開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到 2MHz。因此能夠滿足無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的高頻要求。圖6 TPS28225內(nèi)部原理示意圖3、線圈設(shè)計(jì)由于無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)要求發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)較大，同時(shí)有需要克服趨膚效應(yīng)問(wèn)題，因此在本設(shè)計(jì)中最終采用利茲線作為繞制發(fā)射線圈和接收線圈的材料。為系統(tǒng)中使用的線圈。利用直徑為 0.1mm的 120 股利茲線，圍著10cm X14cm 的板材，繞制了不等周長(zhǎng)的 10 圈。通過(guò) LC 諧振實(shí)驗(yàn)測(cè)得，所設(shè)計(jì)的線圈在 200k Hz 的條件下，電感值分別為發(fā)射線圈：6.33u H，接收線圈：5.85u H。圖7 線圈4、能量接收部分的設(shè)計(jì) 通過(guò)強(qiáng)磁諧振的耦合，次級(jí)線圈接收到的波形是正弦波。因此如果將負(fù)載直接連接在接收線圈和電容兩端，那么負(fù)載上接收到的能量信號(hào)也將是正弦波。在某些情況下（比如點(diǎn)亮燈泡、用于電熱轉(zhuǎn)換的負(fù)載等），這是可以接受的。但在大多數(shù)情況下，在接到負(fù)載上之前，需要通過(guò)整流、能量變換等功能模塊再接到負(fù)載之上。圖8為本設(shè)計(jì)中所采用的能量接收部分設(shè)計(jì)示意圖。圖8能量接收部分設(shè)計(jì)示意圖接收線圈在接收到能量之后，首先通過(guò)全橋整流模塊和濾波電容部分整流成一個(gè)較為穩(wěn)定的直流電。該直流能量信號(hào)會(huì)隨著線圈間距離、發(fā)射端電壓、系統(tǒng)工作頻率等外界因素的改變而改變。因此在接到負(fù)載前通常需要使用 DC/DC 模塊進(jìn)行能量變換。為了能夠?qū)崿F(xiàn)充電功能，本系統(tǒng)中選擇了一個(gè)升壓型 DC/DC模塊。但升壓 DC/DC 模塊的輸入通常有一個(gè)輸入的最小值，低于這個(gè)最小值，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。所以前級(jí)需要增加一個(gè)控制模塊，確保電壓達(dá)到閾值后再開(kāi)啟升壓模塊。這個(gè)控制模塊需要在電壓低于閾