無線遠(yuǎn)距離電能傳輸(0127)

1、超長距離，高頻，無線電能傳輸裝置研制引言：電能無線傳輸一直是人類的夢想，許多國內(nèi)外科學(xué)家對此進(jìn)行不斷的研究。人們提出了三種電能無線傳輸方式：一是微波線電能傳輸方式。該方式利用無線電波收發(fā)原理傳輸電能，傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，應(yīng)用范圍不大；二是電磁感應(yīng)無線電能傳輸方式。該方式利用變壓器原副邊耦合原理傳輸電能，傳輸功率大，效率高，但距離很近，僅在1cm內(nèi)，目前已在軌道交通方面應(yīng)用；三是諧振耦合電能無線傳輸方式。該方式利用電路中電感電容諧振原理傳輸電能，理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。第一種方案原理就像我們常用的變壓器，初級線圈和次級線圈并沒有接觸交變的電場和磁場起到了傳輸電能的

2、作用，該方案效率相對而言比較高；而第二種方案是通過對載波進(jìn)行與解調(diào)從而實現(xiàn)電能傳輸，廣泛用于無線廣播等領(lǐng)域，效率非常低；第三種方案是前兩種方案的綜合，想通過共振原理實現(xiàn)電能的有效傳輸就必須在發(fā)射和接收端下工夫，傳統(tǒng)的效率底下的調(diào)制方法是不能實現(xiàn)電能的有效傳輸，我們小組將著重在電磁耦合方案上進(jìn)行探索。摘要：電能給人類帶來巨大的發(fā)展。然而錯綜復(fù)雜的輸電線分布在生活的各個角落，它給人們帶來極大的不便。因此人類一直有擺脫電線的束縛實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)膲粝?。綜合考慮到實際應(yīng)用上傳輸效率和傳輸距離等因素，我們小組給出了一種用電磁耦合陣列定位最大耦合系數(shù)的電力傳輸方案。關(guān)鍵字：無線電能傳輸諧振傳輸效率電磁耦合

3、傳輸距離耦合陣列1整體方案設(shè)計及理論分析（第1部分標(biāo)題，請根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）2、硬件電路設(shè)計（第3部分標(biāo)題，請根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）3、控制方法與軟件設(shè)計（第4部分標(biāo)題，請根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）4、實驗及結(jié)果（第5部分標(biāo)題，請根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）1、整體方案設(shè)計及理論分析1.1 電磁耦合能量無線傳輸系統(tǒng)由能量發(fā)送器（Transmitter）,分離式功率變壓器（Transformer）,和能量接收器（Receiver）三部分組成，如圖1所示。能量發(fā)送器由三部分組成，第一部整流濾波得到高壓直流電流；第二RlCHVEk分為高頻逆變電路，由CPLD控制波頻率，將直流進(jìn)行SPWM斬波;三部

4、分為濾波電路，將第二部分電濾波后形成高頻交流通過線圈發(fā)耦合到用電器線圈。FRANSMIITER分部載第流送分離式變壓器由發(fā)送端的電磁耦陣列和接收端的線圈共同構(gòu)成。能量接收器將接到得高頻交流經(jīng)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流供用器使用。圖3管驅(qū)動電路圖21.2 能量傳輸?shù)男试谡麄€系統(tǒng)中，能量的損耗主要包括線圈損耗，逆變器的開關(guān)損耗，和電磁耦合過程中的磁泄漏。開關(guān)損耗可以通過軟件來控制合適的載波頻率和合適的死區(qū)時間來減小。耦合損耗是該系統(tǒng)能商正要部分，因為磁場傳輸介質(zhì)中包括磁4用很低的空氣磁路段K成感應(yīng)效率較低，在本課題采用高頻（1030kHz）傳輸磁場和電磁耦合陣列（圖2）發(fā)送能量。耦合陣列為一系列不

5、同方向的線圈組成，每個線圈通過一個采樣電阻，用CPLD檢測采樣電阻上的電流來反映此線圈的發(fā)送功率，并輸出控制信號來調(diào)整線圈關(guān)斷，從而使耦合效率達(dá)到最高。另一方面，傳輸效率又取決于初級和次級耦合線圈的耦合因子和各線圈上的阻抗值。圖3為一組發(fā)射一接收線圈示意圖。2、硬件電路設(shè)計如圖4選用AT89C52單片機(jī)來控制液晶顯示次級線圈功率和初級線圈功率之比（即顯示傳輸效率），用CPLD來控制AD芯片進(jìn)行采集電流，進(jìn)行初級線圈電流采集的AD我們選用精度為8位的AD7822（圖5）,AD7822具有5M的采樣數(shù)率，能夠有效迅速的采集陣列線圈中的各個電流值。采用雙口RAM來存儲AD7822的采樣值并輸出給DA

6、芯片，DA芯片我們采用的是DAC7801,該芯片的精度為12位，采用CPLD來控制MOS管的關(guān)斷從而實現(xiàn)產(chǎn)生SPWM波。圖8為接收端的濾波電路原理圖。.Ih電*工a-I11_通VKXTAL2t.6P：1P2P.P-04XTAL1P：5pB.3EATP工上POGFE*in)Pl1：T：iX?Pl2Pt3Pl4P打芭XDjPLi下孑1：E二PI6P：2TNT：Pl7叫WL；iFB4：T：P2DPS5-T1P21P?P*2P-3.-JRD)P：4P：5pieONDP2CI?-vccJISt-：E_SCAr3-2=ck品一LttNET轉(zhuǎn)PXMOS!1:m43s.s51：74：i!站丁11二：一:二.必

7、父IPIO.L_rjxnsavRK?1P：-1：P：1LBf工P22LH一m其9與4志PWLHWR5-INCLCD：f露5L_QT:露dK1U15?1.2limP14X8：函00函6s-Jhrn,.4.4i“Iu,;hjJ訃I;1LJi:UE7L-ii1.-z.lr:.I.-CK,葭：J!IMauigl3-ry弓1:1，ru:!-.3、控制方法與軟件設(shè)計CPLD控制設(shè)計CPLD用MAX凍列的EPM24昵以進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的快速采集，設(shè)計一個20位的分頻器，按需求將輸入50M晶振頻率分頻做定時采集信號，定時器填充數(shù)據(jù)可調(diào)，由單片機(jī)做鍵盤部分和CPLDg口，CPLD采集完一幀數(shù)據(jù)將存入緩存雙口RAW,

8、待一頁數(shù)據(jù)存滿后，既可以將數(shù)據(jù)讀出給單片機(jī)進(jìn)行簡單的數(shù)字濾波，然后返回控制信號給DA芯片來控制電磁感應(yīng)陣列的關(guān)斷，達(dá)到最大效率的傳輸。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)將從雙口RAW讀出的數(shù)據(jù)顯示在液晶上，并接受按鍵的設(shè)置，返回控制信號給CPLD,達(dá)到輔助控制和建立友好的人機(jī)界面。諧振耦合效率分析由圖3,諧振耦合電能無線傳輸?shù)哪Ｐ涂梢杂煞匠蹋?）表示。、.一Rj(dT/j0M-jMR2Rlj(L2一C2)V,0_j，M-jM1R2Rlj(L2-)C2“(1)J2J為簡化分析，將收發(fā)回路阻抗分別記為1Z1、Z2,wkL1L2(6)100%Z1=Rj(wL1),Z2=R2RLj(wL2)wC1wC2由式（1）可求得兩

9、回路電流如下二一12Z2-jMVi(2)Z1Z2(wM)|jMZ10則發(fā)射回路的輸入功率pin和接收回路中負(fù)載rl上的功率即輸出功率pout為2i_P_VilZ2l(3)P_Vi(wM)2Rl(4)1n,乙+(wM)2|out,Z2+(wM)22傳輸效率為“=一/)一L一宜父100%(5)Z2Z1Z2+(wM)2I將Z1、Z2及互感M=kjLL（k為耦合系數(shù)），代入式（5）,則式（5）變?yōu)?1旦+Rl+j(wL2-)wC2一，1一，一，R+j(wL1-)R2+RltwC1.；2一j(wL2-)+(wkL1L2)wC2諧振日有Z1=1,Z2=2+1,則式（5）或（6）又可寫為、=(wM)Rl10

10、0%(7)R2Rl。(&R)(wM)由式(6)可知，諧振耦合電能無線傳輸?shù)男逝c很多因素有關(guān)。當(dāng)諧振參數(shù)確定時，諧振電容即確定，而3,ri,r2隨諧振電感變化而變化。因此，諧振線圈電感量最為重要。在工作過程中，除制作偏差導(dǎo)致諧振電感偏離理論計算值外，線圈周圍的環(huán)境，電路中寄生參數(shù)及電路溫升的變化都會導(dǎo)致線圈電感量變化。要保持諧振線圈的電感量與理論計算值完全一致比較困難，即容易導(dǎo)致lc諧振耦合回路的固有諧振頻率發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)失諧。一旦失諧，諧振耦合的效率會下降，因此需要分析線圈電感量變化對效率的影響。設(shè)諧振耦合頻率為imhz,根據(jù)文獻(xiàn)20給出的e類雙管諧振逆變器計算公式可得圖1中諧振耦合參

11、數(shù)的理論計算值分別為：li=2.35mh,ci=12nf,12=25mh,C2=1.0nf。高頻條件下，空心線圈寄生電阻主要包括線圈損耗電阻ro和輻射損耗電阻r,，它們的定義分別為15WUol22cr271awuonr2。aU02wr4一n（）；o12cM2式中科。為空間磁導(dǎo)率；r為線圈半徑；n為線圈匝數(shù)a為導(dǎo)線半徑；b為電導(dǎo)率；l為導(dǎo)線長度;e。為空氣介電常數(shù)；h為線圈寬度；c為光速。諧振耦合無線電能傳輸距離與互感關(guān)系式13u0(n1n2)0.5(r1r2)2MJU31-LL-(10)2D式(9)可知，諧振耦合電能無線傳輸互感與距離三次方成反比，即距離越遠(yuǎn)，耦合越小，效率越低。對于諧振耦合電

12、能無線傳輸系統(tǒng)，其最佳自諧振頻率一般為150mhz,此時一般有rrr。，即可忽略輻射損耗，則線圈寄生電阻主要為線圈損耗電阻。為盡量減少諧振電感線圈的寄生參數(shù)，本文設(shè)計發(fā)射回路和接收回路的空心線圈l1及l(fā)2的尺寸參數(shù)分別為：a1=0.725mm%=0.362mm;m=2,m=10;r1=r2=5cm,根據(jù)(8)式則可計算出l1和l2的寄生電阻分別為1=0.014，r2=0.139。為方便分析線圈電感量變化對效率的影響，將耦合系數(shù)k及負(fù)載rl固定為一常數(shù)，諧振耦合為弱耦合，k值可以取得比較小，如本文取k=0.02,而根據(jù)主電路負(fù)載匹配原理可取門=103。將具體參數(shù)分別代入(6),(7)兩式，以發(fā)射

13、電感線圈l1及接收電感線圈l2,傳輸距離d及頻率f為自變量，傳輸效率為應(yīng)變量，得到的效率與各影響因素的關(guān)系當(dāng)發(fā)射線圈電感量偏移理論值0.05mh,即2%勺理論值時，傳車效率下降了30%A上；而當(dāng)接收線圈電感量偏移理論值相同比例時，效率變化卻不大。由此可知，發(fā)射線圈電感量的微小變化(也即失諧)是影響電能無線傳輸效率的主要因素，它遠(yuǎn)超過接收線圈電感量變化對效率的影響。傳輸效率隨諧振頻率的上升逐漸增加，隨距離的增加迅速減小，系統(tǒng)設(shè)計中，傳輸距離和諧振頻率一旦確定，對應(yīng)的傳輸效率即確定。因此，諧振電感量變化是導(dǎo)致系統(tǒng)工作過程中效率下降的主要原因之一。從而，本文設(shè)計了自調(diào)諧電能無線傳輸系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈電

14、感量發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動調(diào)整發(fā)射頻率，使發(fā)射端始終工作在諧振點上，從而保證無線傳輸系統(tǒng)不會因失諧而導(dǎo)致效率迅速下降。3實驗結(jié)果5結(jié)束語通過對lc諧振耦合電能無線傳輸?shù)睦碚摲治?，本文發(fā)現(xiàn)CPLD能夠有效的鎖定發(fā)射陣列線圈中，傳輸效率最大的線圈組合，并控制逆變器發(fā)射合適的載波頻率，進(jìn)行功率傳輸。并且當(dāng)發(fā)射線圈的電感量發(fā)生微小變化時，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對傳輸效率影響并不明顯。在此基礎(chǔ)上，實驗結(jié)果證明，采用電磁感應(yīng)陣列的方案，用電器無論在何方位都能以最大效率獲得發(fā)送端送來的電能，從而解決了諧振耦合電能無線傳輸中由于電磁場方向的不確定性導(dǎo)致耦合因子低下問題，有利于該技術(shù)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1武瑛，嚴(yán)陸光，徐善綱.運動設(shè)備無接觸供電系統(tǒng)耦合特性的研究j.電工電能新技術(shù),2005,24(3),2008,2周雯琪，馬皓，何