小功率无线电能传输装置系统设计.docx

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小功率无线电能传输装置系统设计

摘要

无线供电技术（WPT-WirelessPowerTechnology）作为一种供电技术发展于这几年，在很大程度上和传统供电技术差别不小。

目前所有的无线能量传输方法中，有一种新型的供电技术，叫做谐振式磁耦合无线供电技术，它不仅可以将无线供电的距离提高到米级范围，而且能使用电设备和供电设备实现物理隔离，如此一来既能让用电设备美观、实用，还能提高用电设备的安全指数。

本论文的主要研究对象是谐振式磁耦合无线充电电路。

论文首先研究分析了关于谐振式磁耦合无线充电系统的原理，其次对各个电路模块的功能与工作原理进行介绍，然后设计了该系统的发射与接收电路，最后对谐振式磁耦合无线充电系统进行数组对比试验，分析其功率传输特点与距离传输特点。

在试验中，通过改变电路的固有参数，可以发现该系统的功率传输特性和功率传输特性会根据理论规律进行相应的变化。

本论文重点分析研究了该系统的距离传输特性，通过对谐振线圈的电感、线宽、电容等自身参数和驱动电源电压、驱动原信号频率等外界参数进行改变，研究随着改变这些参数，该系统距离传输特性的变化规律，而且测试结果和理论值基本符合，从而实现了本论文的研究目的。

关键词：

谐振式磁耦合；无线能量传输；距离传输特性

ABSTRACT

Wirelesspowertechnology（WPT-WirelessPowerTechnology）asapowersupplytechnologydevelopmentinrecentyears,inlargepart,andnotasmalldifferencebetweenthetraditionalpowersupplytechnology.Allcurrentwirelessenergytransfermethods,thereisanewpowersupplytechnology,calledresonantmagneticcouplingwirelesspowertechnology,itcannotonlyincreasethedistancewirelesspowertometer-scalerangeandallowselectricalequipmentandpowersupplyequipmenttoachievephysicalisolation,thiswaybothforelectricalequipmentbeautiful,practical,butalsoimprovethesafetyindexofelectricalequipment.Themainsubjectofthepresentpaperismagneticallycoupledresonantwirelesschargingcircuit.

Firstly,analysisoftheprinciplesonmagneticallycoupledresonantwirelesschargingsystem,Secondly,thefunctionandoperationprincipleofthecircuitmodulesareintroduced,Thendesignedatransmitterandreceivercircuitryofthesystem,Finally,theresonantmagneticcouplingwirelesschargingsystemarraycomparativetest,Analysisofitsfeaturesandpowertransmissiondistancetransmissioncharacteristics.Intheexperiment,bychangingthecircuitinherentparameter,Youcanfindpowertransfercharacteristicsandpowertransmissioncharacteristicsofthissystemwillmaketheappropriatechangesinthelawaccordingtothetheory.Thispaperfocusesonstudiesfromthetransmissioncharacteristicsofthesystem,Throughtheresonantinductanceofthecoil,linewidth,capacitorsandotherparametersanddrivetheirownpowersupplyvoltage,thedrivefrequencyoftheoriginalsignaloutsidetheparameterschange,Studieswithvaryingtheseparameterschangesofthesystemfromthetransmissioncharacteristics,andtestresultsandtheoreticalvaluesinline,inordertoachievethepurposeofthispaper.

Keywords:

resonantmagneticcoupling；wirelessenergytransfer；distancetransmissioncharacteristics

1绪论...................................................................................................................1

2无线能量传输基本原理...................................................................................5

引言

自从1968年美国学者Glaser提出了太阳能卫星的概念，利用电磁波接收装置将太阳能转换成电能以来，无线电能传输技术一直是能量研究领域的一个热点。

在电力系统中，考虑到绝缘等方面的需要，某些对高压进行测量的设备不便于使用金属导线进行供电。

同时，考虑到天气、区域等方面的影响，太阳能加蓄电池的方式并不能完全适用。

在这种情况下，采用无线方式传输电能是一个很好的解决办法。

另一方面随着近些年来科技的不断发展，越来越多的电子设备为我们的生活带来便捷的同时，也受到众多电源线和数据线的困扰，这就迫使我们寻找一种新的能量传输方式来避免众多复杂的电源线等。

因此无线电能传输作为一种新的能量传输方式正逐渐受到人们的重视，它有十分重要的应用价值及开发前景，对能量的供应方式和人们的生活产生难以估量的影响。

1绪论

1.1课题研究背景

由于社会科技水平的不断提高，对于移动通信的高要求迫使科技工作者在及时通信等相关领域不断的探索，尤其是当今与人民生活息息相关的手机领域，更是不断推陈出新，在娱乐，工作，生活中给了大家诸多便利的同时，手机的屏幕尺寸也在不断的变化，再加上手机由普通的按键方式转变到了触摸方式，这就造成了手机的耗电量相比以前有了很大的提高。

通过权威调查研究，普通的视频功能的手机耗电量相比以前要高出1-2倍[1]，以前只有少部分人对手机的待机时间有特殊要求，但是当今生活对手机的过度依赖使手机的待机时间成为了大家选择手机的一项重要指标，但这个指标受制于手机内部所配套的电池，根据权威调查，电池的更新换代在最近几十年不会有明显的进步[2]，如果增大电池体积来达到延长使用时间的目的，那么增加手机待机时间的负面结果是使手机的便携性下降，因此手机用户需要一种可以随时随地充电的一种装置。

使用传统的有线充电方式，虽然可以满足用户的需求，但对用户而言很不方便，因此，一些工程师便想到采用无线充电的模式来解决上述问题，采用无线充电不但可以省去了用户随身携带电源线的烦恼，而且充电设备与电源分离，不会产生危险，这也是采用无线电源的一大优势，同时，无线充电还具备保护环境，防水，多机共用，防尘等优点[3]。

无线充电的研究自1840年电磁感应定律被发现以来就开始了，特别是最近几年，随着手机，平板的普及和功耗的增加，无线充电又一次被世界知名的电子厂家提到了重要的地位，但传统的无线充电不是传输距离过近就是不可以穿过障碍物，因此都不可以作为这些消费品的固定充电模式。

但近几年，磁耦合谐振式无线充电技术的不断进步在无线充电领域引起了相关专家的注意。

该种无线充电方式最先是在2007年美国AIP工业物理论坛上由MIT一个课题小组提出的，并在《Science》发表了相关文章（《WirelessPowerTransferViaStronglyCoupledMagneticResonances》），该技术不仅可以使无线能量传输数米，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率[4,5]。

1.2应用领域

作为一种新型的充电方式，磁耦合谐振式无线充电有着广阔的应用领域，其在传输功率上有着不同梯度的应用，既可以应用于小功率的生物移植，也可应用于大型设备的电源补充[6]，下面就对这种新型的供电方式的具体应用做一个初步的介绍。

生物医学:

由于时代的进步，医疗水平也在科技水平进步的前提下不断提高，特别是类似于助听器，人工心脏等电子辅助设备的应用，更是对人们的健康长寿起到了关键的作用，但是这些设备给人们带来便利的同时，也存在一个不可忽视的问题，就是需要定期给体内的这些设备进行能量补充，也就是所谓的充电问题，目前，这种设备的充电方式主要有两种方法，分为有损方式和无损方式，有损方式就是导线要穿过皮肤进行体内设备电量的补充，无损方式就是通过无线充电的方式为体内的设备进行电量的补充[7]，作为一种新型的充电方式，无损方式自然要优于有损方式，因其不会破坏皮肤组织，不会引起额外的病变，并且可以很大程度上减小病人的痛苦，只需通过之前移植到体内的感应线圈便可以进行能量的补充，这也为医疗器械领域开辟了一个崭新的方向，但这种方式对医疗设备的要求极高，主要是由于该种设备的电源要事先植入体内，一旦出现问题，处理起来会很复杂。

小功率设备:

对于一些小功率的用电设备，比如电动牙刷以及电动剃须刀，由于其使用环境始终处于比较潮湿的状态，因此如果长期采用有线充电方式，这样就很容易出现短路，电路进水烧坏等相关故障，但如果采用无线充电的方式，其电路及导线全部密封到壳体内部，这样就彻底隔绝了水与导线的直接连接，也就免除了因设备进水造成设备失灵的现象的发生。

电动牙刷的出现是在上世纪的七十年代，其方便之处在于当你不用时，只需将设备放入其对应的底座便可为设备充电。

随着手机在人们的生活中越来越重要，手机无线充电也成为了时下科技工作者努力开发的一个新兴领域[8]。

机器人领域:

机器人作为现代技术的结晶，其智能与否也代表的当今科技水平，在传统的机器人设计中，负责传动的驱动器与控制中心的距离通常都很近，这样设计目的是为了让控制中心可以更快更优的给每个传动装置提供大量的功率以及数据，尤其是在液压设备中，这种现象更加明显，所以从安全性考虑，机器人的工作部件的灵活性就会被限制，同时这种导线直接连接方式在机器人长时间的运动的情况下其可靠性就会收到很大的考验[9]。

与此相反，采用无线充电的方式就会避免上述情况，原因是电路和电线都会被密封在机器人内部，减少了因长期磨损带给机器人的不稳定因素。

1.3无线充电技术的研究现状

目前，无线充电技术经过上百年的发展，己经从理论研究迈向了实际应用的阶段，市面上己有的产品遍及生活，航空，探险等相关领域，目前比较常见的有无线充电牙刷，无线充电剃须刀，无线充电飞机，无线充电水下探索器等相关产品，这些无线充电产品在推动了科技发展的同时也给人们的生活提供了很大的便捷。

随着最近几年大屏触控技术的发展，相关产品的耗电量也在成倍的增加，这对电池的使用时间提出了更高的要求，在电池技术未发生明显提升之前，改变电池的充电方式就变得格外重要，正因为如此，近几年，全球很多电子厂商都对无线充电技术进行了相关研究，手机，平板电脑及PDA等电子设备相继推出了无线充电产品，这些无线充电产品的推出对于无线充电技术领域是有着长远的意义的。

从目前来看，电力无线传输技术主要有三种方式:

电感耦合型（利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电）、微波型（电力转换成电波进行无线供电）、磁耦合谐振型型（利用磁场等谐振效应近程无线供电），以上几种技术的发展方向始终集中在对电力发送装置和接受装置的改进上。

微波型技术的方向主要在于如何提高电流的Q值以及保持传输效率，这对于低功率的消费电子产品来说意义不大，相对来磁耦合谐振型和电感耦合型更有商用推广的价值。

电感耦合型是一种高效和通用的无线充电方式，主要是分别在供电部分和接收部分设置电极，利用电极间产生的电磁场场来供电的方式。

在2010年深圳举行的高交会电子展上，村田就展出了一款支持移动设备充电的电场耦合式无线电力传输模块，通过内置入移动设备的RFIC以及植入充电模块的充电板，就可以实现“无线充电”功能。

磁耦合谐振方式的非接触充电目前已经得到快速发展，该技术不但增加了能量无线传输的距离，也支持水平方向的错位，不会象目前已实用化的、由线圈向线圈供电的电磁感应式非接触充电技术那样，在异物侵入时会出现发热、电磁波及高频波等问题。

而且，与电磁感应方式不同，谐振方式不使用铁氧体及利兹线圈，因此可降低产品的重量及成本。

美国麻省理工学院（MIT）于2007年6月、美国英特尔公司于2008年8月分别发表了使用磁耦合谐振式无线能量传输的技术，使用该技术有望给行驶中的汽车进行充电，基于磁场耦合谐振技术，日本索尼公司开发了延长无线传输距离的技"RepeaterDevice"，使用该技术可以不用电源线向远至SOcm的电视机传输60W电力。

相关的技术也被中国的海尔在2010年美国举行的CES展上展示其“无尾电视”。

此外，索尼发布的卡片相机TX300V/TX200V，夏普发布的SH-13C手机，均采用无线充电功能，其中SH-13C透过无线充电，将手机搭配的1230mAh电池充满约需2至2.5个小时。

美国高通（Qua.lcomm）开发出一款采用磁共振方式进行无线供电的“eZone"，可以为搭配充电台座的“iPhone”充电。

据测试，如果为1000mAh容量的电池充电，2小时内便可充满。

除了这些国际厂商，在国内相关的产品也不少。

目前市面上可以看到上百种针对iPhone的无线充电板或手机套，价格从100多元到900多元不等。

这种产品（类似产品如“点金石”）一般分为两个部分:

一部分为充电板，另一部分为与手机连接的电源接收器，其实现原理依然是电磁感应，不过其含有的问题也很多。

这些产品一方面存在发热量大和电磁辐射的问题，另一方面没有对于错误充电的认证方法，容易酿成危险，同时在充电时也无法进行上网等数据传输。

此外，针对不同的电池，充电的要求也不尽相同。

目前，无线充电技术在生活的应用还不是很广泛，但一些领域已经开始该方面的应用，比如电动牙刷，电动剃须刀，近几年，该项技术在手机领域的发展受到了世界知名厂商的青睐，比如诺基亚，摩托罗拉，三星等，并且已经推出了无线充电相关产品，目前这些手机厂商正逐步推出商业化的产品，期望在无线充电领域占领市场，但目前手机无线充电领域仍存在几个主要的问题:

电磁干扰，充电效率，充电距离等巫待科学家去解决[10-11]。

1.4选题依据与意义

无线充电产品虽然已经处于产品阶段，但其在充电过程中存在的问题仍然困扰着相关电子工程师，这些问题主要包括无线充电传输距离短、传输效率低、接触感应不稳定以及没有固定的标准等，这些问题是无线充电产品未进入平民化的主要原因，因此，对上述问题的探索及解决便成为了无线充电领域相关工程师的主要任务。

磁耦合谐振式无线充电技术作为无线充电的一种崭新方式，为手机无线充电方式提供了另外的一种形式，这种方式不但可以解决无线充电的效率问题，而且在传输距离的这个无线充电的瓶颈上也有一个大的发展，这也为无线充电领域开辟了一个崭新的道路，也为广大的无线爱好者提供了全新的思路和方法[12]。

谐振式磁耦合无线充电技术在未来一定能对无线充电等相关领域带来积极的促进作用，同时为我们的生活提供更便捷的服务，这也是我选择本题目的最终目的。

2无线能量传输基本原理

2.1无线能量传输方式简介

2.1.1微波式能量传输

1）微波式能量传输理论

该种传输方式主要利用发送设备将能量转变成微波，通过天线发送至空间，最后通过接收设备接收，最后将微波转变成需要的电能[13]，即这种传输方式是将空间当做传输导线，通过微波传输能量，微波式能量传输的基本结构如图2-1所示。

图2-1微波传输系统组成方框图

Fig.2-1Compositionmicrowavetransmissionsystemblockdiagram

在这个过程中，每一部分效率分别为：

直流微波转换部分：

70%-90%

天线发射部分：

70%-97%

空间传输部分：

10%-95%

接收并转化为直流部分：

80%-92%

假设各个部分都能达到最大的效率，此时整个电路的效率为:

76.3%[14]。

经试验验证，本系统的最大传输效率为54%，正因为其设备的各个部分相互牵制，故而达不到最高的理论值，因此该传输设备需要解决此问题。

2）微波式能量传输特性

该种无线能量传输方式首先经过能量转换，然后发送到空间，最终被接收转换利用，与通信系统相比较，它包含了不同的特色，这种传输方法有如下的几种特点:

1.发送设备与接收设备之间为无质量传输

2工作频率为高频，因此相应器件质量很轻

3.传输速度为光速

4地球引力对传输不构成干扰

5.方向性强

6.在空气中传播损耗小，在真空中零损耗[15-17]

对于以上特性，微波式传输与其他的方式相比较还是存在很大的优势的，但对于第4条尤其重要，在外太空，目前所有形式的能量传输都要克服重力方可进行传输，而微波供电却不会出现这种情况，只是需要在地面安装一个发送装置，在太空中放置一个很轻的接收装置便能接收来自地面发送的能量[18]。

3）微波式能量传输应用实例

位于加拿大的一个研究中心于上世纪80年代发明了一款飞机，它的最主要特点是能接收地面的微波信号，正是利用这个特点，其能在发射站周边2000米的地域里飞行，而且由于能够不断供给能量，因此其可以在空中长时间飞行，图2-2为该款飞机在空中试飞场面[19]。

图2-2微波供电飞机

Fig.2-2microwavepoweredaircraft

2.1.2电感耦合式能量传输

1）电感耦合式能量传输理论

此能量传输方式根据的是电磁感应原理，很显然，变化的磁场能够产生电流，可是因为传输效率太低而且过于危险，因此该理论的实际应用收到限制，同时，电磁没有方向性，所以不适合传递能量。

在上世纪八十年代，Ysakaaw和日本国家研究院一同提出了感应电能传输技术[20]，直至九十年代，奥克兰大学的一个科研团队展开对该项技术了研究，并且正式命其名为感应耦合电能传输技术[21]，后来，Pro.Qoys和他的科研团队深入的探索这项技术，并获得多项专利[22]，进入21世纪，全球各个发达国家竞相对无线充电技术展开深入研究，日本，德国，美国均已推出许多无线充电的商业产品。

2）电感耦合式能量传输的机理

该项技术主要是应用了变压器理论以及电磁感应定律，利用最新的电子及器件技术，使其达到了无线充电的目的[23]该方式的无线能量传输流程如图2-3所示:

图2-3电感耦合式传输流程框图

Fig.2-3inductorcoupledtransmissionflowdiagram

前端若是采用市电供电，必须利用整流器整流，将其转变成直流电，然后经过逆变电路对其进行高频逆变，接着通过变压器，将能量从变压器一端变换至另一端，变压器原副线圈因为电磁感应，副边线圈则会产生交流电，从而实现能量的无线传输的目的[24]。

3）电感耦合式能量传输的应用实例

电感耦合式能量传输技术在生活中应用相对广泛，比如电动牙刷（图2-4），牙刷所处的使用环境相对潮湿，很容易进水，若采用无线充电方式，便可以避兔上述问题，提高了电动牙刷的使用年限[25]。

图2-4电动牙刷

Fig.2-4electrictoothbrush

电感耦合式充电技术还可以用在手机充电器上。

美国现在有些公司如Wildcharge，己经成功制作出无线式手机充电器。

如图2-5所示:

图2-5无线手机充电器

Fig.2-5Wirelessphonecharger

2.1.3磁耦合谐振式无线能量传输

磁耦合谐振式无线能量传输技术是由麻省理工学院的索尔季喜科科研团队在2006年提出的，其理论基础是电磁谐振理论，通过实验，该团队成功地隔空点亮了两米外的灯泡，该项实验的成功在无线充电领域是一个下.大的进步，这也正式宣布一种新型的无线充电技术的诞生。

该种能量传输技术，是基于电磁谐振理论，在发送端与接收端配置相同谐振频率的谐振线圈，当两者距离适当时，给发送端输送与谐振线圈谐振频率相同频率的驱动信号以及能量两者便会产生谐振，能量便可以源源不断从发送端传输到接收端，发送端消耗能量，接收端吸收能量，这样两个设备之间便实现能量的无线传输[26-27]。

1）近区磁场

麦克斯韦电磁理沦指出电场与磁场两者互相依赖，当电场不断变化时在其周围会产生磁场，当磁场不断变化时在其周围也会产生电场，这两者互相依存的物质空间我们称之为电磁场，在产生电磁场的区域内又分为近区场和远区场，近区场主要以感应为主，远区场主要以辐射为主，两者之间的界限为一个波长，两者比较，近区场的电磁场相对更加强烈一些[28]。

磁场强度的大小在近区场是与距离有很大的关系的，并且在近区场内其均匀性很差，但其能量子始终在发射源及其周围环绕流动，不对外辐射，正是这个原因，在近区场周围放置接收装置，这样便可以把近场区内的交变磁场作为媒介，通过这个媒介向接收装置输送由发送装置提供的能量，这样便达到了无线传输的目的[29-30]。

2）磁耦合谐振理论

谐振磁耦合系统由发射端与接收端两部分组成，发射端与接受端分别有一个谐振器，当发射端出现外部激励信号，而且谐振频率与激励信号频率相近时，该系统就会发生谐振，能量则开始从发射端传送到接受端，实现无线能量传输的目的，图2-6为其原理电路图。

图2-6磁耦合谐振原理图

Fig.2-6Schematicresonantmagneticcoupling

I图中驱动电压为发射端所要发送的直流电压.，C1与L1构成发射端串联谐振回路，C2与L.2构成接收端串联谐振回路，图中的的功率转化开关的驱动信号频率为f，通过这个开关管，在串联谐振回路中产生发射端所需要的交变电场，由谐振理论可知，当发射端串联谐振频率与接收端串联谐振频率和驱动信号频率相等时，系统产生谐振，传输能量的效率最高，即如果要以最高效率传输能量，电路系统必须满足磁耦合谐振式无线能量传输的基本条件[31]。

谐振系统在工作