無線電力傳輸系統(tǒng)2014年電子設(shè)計大賽F題

1、2014年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告與總結(jié) F題.電能無線傳輸裝置摘 要：磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置克服了通過金屬接觸直接供電的種種弊端，如滑動磨損、接觸火花、和不安全導(dǎo)體裸露，在易燃、易爆、高溫、潮濕的環(huán)境中容易發(fā)生安全事故。無線電能傳輸裝置具有更安全，更可靠，更耐用的電氣特性，在一些易燃，易爆，水環(huán)境的特殊環(huán)境中進(jìn)行能量接入具有無法比擬的優(yōu)勢。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離中等，傳輸效率高，能穿過非磁導(dǎo)性障礙物傳輸電能等優(yōu)點(diǎn)，使其有望取代電池為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)無線供電"本文通過研究磁耦合諧振式無線電能傳輸機(jī)理，構(gòu)建了傳輸系統(tǒng)的集總參數(shù)電路模型，對各模型參數(shù)進(jìn)行

2、了理論計算，并根據(jù)模型對不同傳輸距離下系統(tǒng)的傳輸效率與負(fù)載功率進(jìn)行了分析，得出了不同耦合狀態(tài)下系統(tǒng)獲得最大負(fù)載功率的條件"關(guān)鍵詞：磁耦合諧振；無線電能傳輸；電路模型；最大負(fù)載功率；調(diào)諧電容設(shè)定。 目錄一 系統(tǒng)方案1.1發(fā)射模塊的選擇1.2接收模塊的選擇二 理論計算與分析2.1磁耦合諧振分析2.2磁耦合諧振計算三 電路設(shè)計3.1發(fā)射模塊3.2 接收模塊3.3 調(diào)諧電容設(shè)定四 數(shù)據(jù)測試4.1距離測試過程五 參考文獻(xiàn)附錄1主要元件明細(xì)表 附錄2實物圖一系統(tǒng)方案1.1能傳輸系統(tǒng)原理及其結(jié)構(gòu)非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示， 其主要由驅(qū)動、傳輸模塊和電能變換所組成， 發(fā)射模塊與接收模塊

3、通過磁場耦合相聯(lián)系。發(fā)射電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場能量發(fā)射， 通過前后級繞組的電磁感應(yīng)將磁場能量傳輸?shù)浇邮针娐罚?經(jīng)過相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置， 將能量變換為應(yīng)用場合負(fù)載可以直接使用的電能形式， 從而達(dá)到了非接觸式電能傳輸?shù)哪康?。圖一1.2方案比較與選擇方案1 主要采用2個MOS來驅(qū)動，發(fā)射線圈相當(dāng)于一個電感，與電容形成一個諧振電路。這種條件下，無線傳輸?shù)男瘦^大。方案2電磁感應(yīng)短程傳輸利用電磁感應(yīng)進(jìn)行短程電力傳輸?shù)哪”驹砣鏻所示，發(fā)射線圈和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若在線圈L1中通以交變電流，電流將在崗圍介質(zhì)中形一個交變磁場，線圈L2中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢可供給移動設(shè)備或者給電池充電。為獲得較大

4、傳輸效率，采用方案1二.理論分析與計算圖二2.1磁耦合諧振試無線電傳輸磁耦合諧振試無線電傳輸系統(tǒng)如圖二所示，包括電源 發(fā)射線圈，接受線圈，調(diào)諧電容，負(fù)載幾部分。電源與發(fā)射線圈相連，通電后在發(fā)射線圈周圍形成交變磁場，接收線圈至于交變磁場中，通過調(diào)諧電容使發(fā)射回路與接受回路具有相同的諧振頻率，接收線圈在發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場中耦合到能量并產(chǎn)生寫真，使能量源源不斷被的從發(fā)射線圈流向接收線圈，再提供給負(fù)載使用，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。圖二中Us是電源電壓，Zs是電源內(nèi)阻，C1，C2分別是發(fā)射接收線圈的調(diào)諧電容，L1，L2分別為發(fā)射，接收線圈的等效電感，R1，R2分別為發(fā)射接收線圈等效電阻，Zl為負(fù)載阻抗M

5、是兩線圈的互感。電源頻率為M發(fā)射，接收回路的阻抗分別為：考慮兩線圈之間的偶合關(guān)系,對上圖所示電路列KVL得：由（1）（2）可求出發(fā)射，接受回路電流分別為2.2磁耦合諧振試參數(shù)計算本文分析的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)實物如圖 3 所示，其發(fā)射#接收線圈的半徑均為r =200mm，匝數(shù)均為 N =23，導(dǎo)線半徑為 =1.2mm，調(diào)諧電容電源電壓 US=15V，；，使發(fā)射，接收線圈同心安裝"空心線圈互感計算方式：其中 u0為真空中磁導(dǎo)率，g 為線圈截面的幾何平均距離，其計算公式為 g=k(2*a+25,N），k=0.2236，D 為兩線圈之間的距離"高頻條件下，空心線圈等效電阻

6、主要包括線圈歐姆損耗電阻與輻射損耗電阻 Rr11，對于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其最佳工作頻率一般為150 MHz，此時有 Rr >>Ro，即可忽略輻射損耗，則線圈等效電阻為其中 & 為銅的電導(dǎo)率"發(fā)射，接收線圈固有頻率為。根據(jù)已知條件，由式（7）（10）可計算出該系統(tǒng)的模型參數(shù)值見表表一系統(tǒng)模型參數(shù)值參數(shù)數(shù)值線圈半徑r100mm導(dǎo)線半徑a1.2mm調(diào)諧電容C線圈匝數(shù)N23發(fā)射接收線圈等效電感3.6mH三 無線電能傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計3.1 發(fā)射模塊2個IRFZ44N MOS管構(gòu)成發(fā)射電路分別是Q1，Q2。產(chǎn)生一定頻率的交電流，發(fā)射模塊連接圖發(fā)射模塊仿真波形圖3.

7、2單相橋式全波整流電路電路中采用四個二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，在負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，流過負(fù)載RL的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。橋式整流的名稱只是說明電路連接方法是橋式的接法，橋式整流二極管：大家常用的一般是由4只單個二極管封裝在一起的元件，取名橋式整流二極管,整流橋或全橋二極管。3.2調(diào)諧電容設(shè)定 待發(fā)射和接受電路搭建

8、好后，按照計算值在插槽中配置相應(yīng)容值的電容，調(diào)節(jié)接收端調(diào)諧電容，觀察小燈的亮度，待小燈變亮，加大兩線圈之間距離，再改變?nèi)葜滴⒄{(diào)，使接收頻率不斷接近理想的發(fā)射頻率。四測試結(jié)果與分析4.1 不同傳輸距離下系統(tǒng)的負(fù)載功率與傳輸效率分析在進(jìn)行磁耦合諧振式無線電能傳輸時，需要供電的設(shè)備可能在一定的距離范圍內(nèi)移動，使傳輸距離發(fā)生改變"為了研究傳輸距離變化對無線電能傳輸?shù)挠绊?，設(shè)置距離 D 變化范圍為 30mm-300 mm。當(dāng)傳輸距離D100mm時，負(fù)載功率Pl在電源頻率f=27kHz時很小，而在 27kMHz 附近的兩個頻率點(diǎn)處fa，fb處 Pl獲得最大值"這是因為當(dāng)兩線圈距離很近時

9、，由于相互間的耦合作用使得線圈回路的諧振頻率不再等于單個線圈的固有頻率 27kMHz，而是分裂成為 1 MHz 附近的兩個諧振頻率點(diǎn) fa，fb。所以當(dāng)電源頻率 (f=27kHz時，兩線圈未諧振，Pl值較小。當(dāng)f=fa或fb兩線圈發(fā)生諧振耦合，PL值最大"此時系統(tǒng)的耦合狀態(tài)可稱為過耦合".當(dāng)傳輸距離時 D約等于100mm，負(fù)載功率 P只在 , f=27kHz 處獲得最大值，Pl=分析可知，隨著傳輸距離 D 增大，兩線圈間的耦合作用減弱，使得線圈回路的諧振頻率不再分裂為兩個頻率點(diǎn)，而是等于單個線圈的固有頻率 1 MHz，所以當(dāng)電源頻率 f- =27kHz 時，兩線圈發(fā)生諧振，

10、PL值最大"此時系統(tǒng)的耦合狀態(tài)可稱為臨界耦合。當(dāng)傳輸距離 D >100mm 時，并且隨著 D 的繼續(xù)增大，PLD0 =27kHz不斷減小"分析可知，在傳輸距D >100mm 后，雖然在電源頻率 1 =27kHz 時兩線圈發(fā)生諧振，但隨著 D 的繼續(xù)增大，兩線圈間的耦合作用進(jìn)一步減弱，使得接收線圈諧振時從發(fā)射線圈取得的能量減少，提供給負(fù)載的功率也隨之減少"此時系統(tǒng)的耦合狀態(tài)可稱為欠耦合"。在磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的實際應(yīng)用時，如果要求系統(tǒng)的負(fù)載功率與傳輸效率較大，而傳輸距離不限，可通過設(shè)計使傳輸系統(tǒng)工作在過耦合或者臨界耦合狀態(tài)；如果要求系

11、統(tǒng)的傳輸效率較高，且傳輸距離較遠(yuǎn)，而對負(fù)載功率要求不大，則可通過設(shè)計使系統(tǒng)工作在欠耦合狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)記錄如表組數(shù)距離d(mm)負(fù)載電壓U(v)負(fù)載功率P(w)燈輸入電流I輸入功率p傳輸效率13040.21.616亮1.0816.210%25042.41.797亮0.9914.8512.1%310036.71.339亮0.8913.3510.03%415018.60.345亮0.8612.92.67%520010.30.1亮0.8612.90.78%62505.70.032亮0.8813.20.24%73003.20.009亮0.913.00.07%4.2測試分析結(jié)論1）隨著發(fā)射線圈與接收線圈距

12、離的增大，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)可劃分為過耦合，臨界耦合與欠耦合三種耦合狀態(tài)"當(dāng)系統(tǒng)處于過耦合狀態(tài)時，系統(tǒng)存在兩個諧振頻率點(diǎn)；當(dāng)處于臨界耦合或欠耦合狀態(tài)時，系統(tǒng)僅有一個諧振頻率點(diǎn)"（2）當(dāng)系統(tǒng)處于過耦合狀態(tài)時，要使負(fù)載功率最大，必須使發(fā)射#接收線圈固有頻率一致，且電源頻率不等于線圈固有頻率；當(dāng)處于臨界耦合與欠耦合狀態(tài)時，要使負(fù)載功率最大，必須使發(fā)射,接收線圈固有頻率與電源頻率三者一致"五參考文獻(xiàn)1 Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J.D.Joan no poulos, Marin Soljaci

13、c. Wireless Power Transfervia Strongly Coupled Magnetic ResonancesJ. Science,2007, 317（6）: 83-862Aristeidis Karalis, J. D. Joan no poulos, Marin Soljacic.Wireless Non-Ra diative Energy Transfer C. Massac-husetts: The AIP Industrial Physics Forum, 2006:4-63Shin-ichi A, Fumihiro S, Shinki K. Considera

14、tion of contactless power station with selective excitation to moving robot. IEEE Transactions on Magnetics. 1999,3（5）:3583-35854Boys J T, Covic G A, Green A W. Stability and control of inductively coupled power transfer systems.J. IEE Proceedings: Electric Power Applications, 2000147（1）:37-435 Aris

15、teid is Karal is, J. D. Joan no poulos, Marin Soljacic .Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy TransferR. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2007: 9-106 W. C. Brown, The history of power transmission by radio waves. IEEE Trans. Microwave Theory Tech,1984, Vol. 32, 1230-12427 王磊面向嵌入式故障診斷系統(tǒng)的磁耦合諧振式無線功能研究D長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，20118 傅文珍，張波，丘東元，王偉自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計J中國電機(jī)工程學(xué)報2009，29（18）：21-259 傅文珍頻率跟蹤式諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)研究C北京：第三