無線供電技術(shù)材料

1、、研究技術(shù)背景無線輸電技術(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?領(lǐng)域。無線輸電即利用無線電磁波或變化電磁場進行電能的無線傳 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)場地機器人、深水勘探、核能反應(yīng)堆調(diào)試、油田礦井、航 空航天、電動汽車充電站、無線感知網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價 值。又如無繩家用電器、植入醫(yī)療器械充電等民用領(lǐng)域也具有極大 應(yīng)用價值和發(fā)展空間。在慶祝中國科協(xié)成立五十周年學(xué)術(shù)活動中， 無線輸電技術(shù)被評為“十項引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)”之一。無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

2、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 也被認為對彈道學(xué)、機器人、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，包括我們今天使用的互聯(lián)網(wǎng)，也是其貢獻之1889 年尼古拉特斯拉發(fā)明了“無線輸電方法” 。于是他在美國 的科羅拉多泉建設(shè)無線輸電實驗室研宄及開發(fā)此項“無線輸電”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 氣作為傳送媒介來輸送電能。此項“無線傳電”技術(shù)不單單省卻了 輸電電纜的成本，還可以免去輸電時因電阻所致的電能損耗。經(jīng)過 八個月的研究后，特斯拉決定在長島試建首座名為“特斯拉線圈”的電

3、力發(fā)射塔，當時他建造了一 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行發(fā)射， 天線塔頂周圍的射頻電壓高達。特斯拉試圖把電量輸送到世界各 地，定向為一些孤立地點提供照明供電。但是由于特斯拉的無線輸 電實驗耗資巨大，并且其方案并沒有解決電能定向傳送這一關(guān)鍵問 題，在后期美國安全安全部也對此項目進行干涉，最終特斯拉的無 線輸電方案沒有成功實現(xiàn)。歷經(jīng)一百多年的空白，今天的無線領(lǐng)域，電磁微波技術(shù)已經(jīng)完 美的實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的無線傳輸，但在應(yīng)用于能量傳輸方面還未有長 足的進展。其中最主要的問題是全向福射所導(dǎo)致的能量過度散失。2007 年，國外

4、學(xué)者對于利用共振原理來提高處在非福射場中的 兩個物體間能量的傳輸效率進行了可行性分析結(jié)論表明有著相同共 振頻率的兩個物體可以更加高效的進行能量傳輸，即相比沒有發(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)、電磁場系統(tǒng)、核子系統(tǒng)，普遍存在一個的“強辛禹合”的 現(xiàn)象。如果我們能夠使無線輸電系統(tǒng)達到此狀態(tài)，能量的傳輸效率 將會非常高，即使相隔一段距離也可以實現(xiàn)中高頻的能量傳輸，同 時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使 無線輸電系統(tǒng)具有相對較好的安全性和穩(wěn)定性。本項目正以此為基礎(chǔ)對無線輸電技術(shù)進一步的分析與研究。本項目所研宄的磁耦合共振型無線供電系統(tǒng)正是

5、基于此建立的。此系 統(tǒng)是由美國 MIT 在 2007年提出的，并把實驗結(jié)果發(fā)表在Science 雜志上。與傳統(tǒng)的感應(yīng)式與微波式無線輸電系統(tǒng)不同， 磁戰(zhàn)合共振無線輸電系統(tǒng)利用共振的原理大幅提高了無線傳輸效 率，實現(xiàn)了高效的中距離無線電能傳輸。本項目主要研究此系統(tǒng)電磁場近場范圍內(nèi)諧振模型、系統(tǒng)傳輸 模型的特性與系統(tǒng)共振頻率的準確計算方法。磁耦合共振無線輸電 系統(tǒng)的優(yōu)點是能量發(fā)射是非福射的，相對于電磁感應(yīng)式無線輸電系 統(tǒng)，此系統(tǒng)減少了空間能量散失。無負載情況時，發(fā)射端僅消耗較 小自身發(fā)熱損耗和空間福射損耗，當有負載進入高頻電磁場范圍時 建立共振能量傳輸通道進行能量傳輸。此系統(tǒng)以空氣為傳輸媒介， 工作

6、是僅在具有相同的共振頻率的發(fā)射接收設(shè)備間進行能量的傳 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，可穿透墻體實現(xiàn)隔墻供電。與磁感應(yīng)式無線輸電系統(tǒng) 相比傳輸距離提高了數(shù)百倍，相比微波式無線輸電系統(tǒng)功率可大幅 提升。在實驗中發(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“強耦合”狀態(tài)，系統(tǒng)的傳輸效率可以達到 75% 以上。二、主要技術(shù)指標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)方案一個實際的諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)，如圖所示，通常有以下 幾個模塊組成：工頻交流電源、工頻整流模塊、高頻逆變模

7、塊、發(fā)射線圈、接收線圈、高頻整流模塊、系統(tǒng)控制器模塊。毗丄/I-咼輸阿，庭- 並載圖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 電首先通過整流模塊進行整流，得到穩(wěn)定的直流電。直流電經(jīng)過高 頻逆變，加到發(fā)射線圈之上，經(jīng)過諧振式強磁耦合傳輸?shù)搅私邮站€ 圈。接收線圈上的電能再經(jīng)過高頻整流以及后續(xù)調(diào)理電路加到了負 載上。系統(tǒng)在工作的時候通過檢測發(fā)射線圈上的電流信號，來判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以此來調(diào)整逆變電路的控制信號，以達到穩(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(1)逆變電路拓撲高頻逆變電路是無線能量傳輸技術(shù)中非常重要的組成部分，其設(shè)計將很大程度上影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定

8、性和高效性。 目前常見的逆變 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單、經(jīng)濟的逆變方案。圖3中，初級線圈通過一個靠近低壓側(cè)的 N溝道MOSFET管來實現(xiàn)發(fā)射線圈的逆 變。由于LC串聯(lián)諧振時，等效阻抗為零；LC并聯(lián)諧振時，等效阻 抗為無窮大。所以在正激式逆變拓撲中，并聯(lián)諧振更為適合。Vin+ClQi -If圖3正激式逆變電路正激式逆變電路工作時，回路中會激起很大的沖擊電流和沖擊電 壓，因此對于開關(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，而這些分量無法通過諧振渠道 進行釋放，故而會以熱的形式在回路中耗散，所以這種拓撲的效

9、率相 對較低B、半橋式逆變電路相對正激式變換電路，橋式逆變電路輸出功率較大，對于器件要求相對較低。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)量相對較少，因而控制電路較為簡單，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。V jlllT圖4半橋式逆變電路本項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，上下兩個橋臂 MOSFET 1Q、2Q的驅(qū)動電壓，為使 得半橋逆變正常工作，1Q、2Q交替導(dǎo)通。其導(dǎo)通時間間隔即所謂的“死區(qū)時間”，如圖中t1t2。隨著開關(guān)管的上下配合動作，在 A點 和地之間得到的電壓波形即為一個和半橋上臂的驅(qū)動波形同步的方 波。這個

10、方波電源信號加在LC諧振電路上后，在電感上就得到了一 個正弦波形。4T|1IIIIIIa卜 1 11 1 1IIU111 11 1 11 111 11 1 11 111 11 1 1QH111 11 1 11 111 11 1 11 |11111 1P11J1 ;1111 17I J1 IA圖5半橋式逆變電路工作波形示意圖2、開關(guān)管及其驅(qū)動電路設(shè)計在本設(shè)計中開關(guān)管的驅(qū)動電路方案選用的是TPS28225。該芯片是TI公司的一款專用于N溝道MOSFET高速半橋驅(qū)動的芯片。該 方案允許的 MOSFET柵極驅(qū)動電壓范圍為 4.5V至8.8V，并具有 14ns的自適應(yīng)死區(qū)時間控制功能。另外，該芯片的最咼

11、開關(guān)頻率可 以達到2MHN因此能夠滿足無線能量傳輸系統(tǒng)的高頻要求。BOOTUGATEP HASELUAieGND圖6 TPS28225內(nèi)部原理示意圖3、線圈設(shè)計由于無線能量傳輸系統(tǒng)要求發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)較大， 同時有需 要克服趨膚效應(yīng)問題，因此在本設(shè)計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，繞制了不等周長的10圈。通過LC諧振實 驗測得，所設(shè)計的線圈在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。th * JBl心-空、圖7線圈4、能量接收部分的

12、設(shè)計通過強磁諧振的耦合，次級線圈接收到的波形是正弦波。因此 如果將負載直接連接在接收線圈和電容兩端，那么負載上接收到的 能量信號也將是正弦波。在某些情況下（比如點亮燈泡、用于電熱 轉(zhuǎn)換的負載等），這是可以接受的。但在大多數(shù)情況下，在接到負載 上之前，需要通過整流、能量變換等功能模塊再接到負載之上。圖8為本設(shè)計中所采用的能量接收部分設(shè)計示意圖。I X圖8能量接收部分設(shè)計示意圖接收線圈在接收到能量之后，首先通過全橋整流模塊和濾波電容部分整流成一個較為穩(wěn)定的直流電。該直流能量信號會隨著線圈 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。因此在接到負載前通常需要使用 DC/DC模塊進行能量變換。為了能夠 實現(xiàn)充電功能，本系統(tǒng)中選擇了一個升壓型 DC/DC模塊。但升壓DC/DC模塊的輸入通常有一個輸入的最小值，低于這個最小值，系 統(tǒng)將無法正常工作。所以前級需要增加一個控制模塊，確保電壓達 到閾值后再開啟升壓模塊。這個控制