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Departmentofprofessional:
Electronicinformationengineering
Class:
electronic1102Guidanceteachers:
Hukengyong
Abstract:
Wirelesspowersupplytechnologyisapopularsubjectofstudyinrecentyears,itismainlythepowertransmissiontothepowersupplydeviceinanon-contactway,itshowsthepower,mutualconnectionandtransformationbetweenmagnetism,nowvariouslow-powerdevices,suchasmobilephone,medicalinstrument,MP3moreandmore,thetechnologycansolvethepowersupplyrequirementsofsomespecialplaces,suchassealedenvironment,underwatermonitoring,wirelesspowersupplytechnologycanbeverygoodtosolvethisproblem,theshortdistancewirelesspowersupplytechnologyisveryconvenient,caneasilytothelowpowerchargingequipment,onlythemobilephone,mobiledevicessuchasthePDAtoputup,withouttheneedtoplugconnectioncancharge,thetechnologyhasbeenwidelyappliedinmanyfields,suchasinthefieldofelectronicproducts,thelifeofthemedicalfield,thefieldoftransportation,bringsgreatconvenienceforhumanlife,
Keyword:
Wireless;
powersupply;
energysaving;
noncontact
系专业：
1.引言
1.1本设计的研究背景及意义
无线供电技术是近年来人们研究的热门话题，它主要是以非接触的方式对供电设备进行电能的传输，主要是电，磁之间的相互联系和转化，如今各种低功耗设备，如手机，医疗仪器，MP3等越来越多，该技术的出现可以解决一些特殊地方的供电需求，比如密封环境，水下监测，无线供电技术可以很好解决这个问题，随着该技术的不断研究，将会在各个领域发挥其强大的作用。
这种近距离的无线供电技术很方便，可以轻易给低功耗设备充电，同时也很安全，只需将手机，PDA等移动设备放上去，无需插拔连线就可以充电，该技术在很多领域有广泛的应用，比如在电子产品领域，生活医疗领域，交通运输领域等，为人类的生活带来极大的便利，本设计主要是在研究如何提高无线传输的效率，以及影响传输效率的因素。
1.2国内外无线供电技术的发展
无线供电，是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传输给负载。
无线供电的无接触结构使得其与传统的供电方式相比有以下特点：
供电系统和负载之间无任何接触，无磨擦，易维护；
不受负载运动速度的限制；
无噪声污染；
能在各种恶劣的条件下工作（如水下、冰雪天气和地下等）
国外对无线电能传输技术的研究较早，20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供电问题，其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高。
2007年，美国麻省理工学院的科学家们最近完成了一项实验，他们使用两个相距2米的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡。
2008年9月，美国内华达州的雷电实验室成功的将800W
电力无线传输到5m远的距离。
2011年3月22日，在东京举行的安防用品展会上松下就推出了一款可以无线充电的太阳能电池板。
2012年9月5号，手机通信厂商诺基亚联合微软发布了一款能够实现无线充电的手机。
这些都标志着无线能量传输技术正在一步步走向成熟。
国内的研究起步较晚，但也取得了一定的成就。
2001年，西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在矿井用感应电力机车上应用的可行性的文章。
同年，重庆大学自动化学院孙跃教授开始了对无线电能传输技术及其应用的研究，并且重庆大学与国外的
新西兰奥克大学展开了合作，与国内的海尔集团进行合作，进行深层次的学术交流与科技合作。
2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等对用于体内诊疗装置的无线能量传输方案进行了研究，这是比较早的一次对于无线能量传输技术在医疗仪器上的应用的探索。
随着技术的成熟与进步，越来越多的科研人员与科研机构以及高校开始了对无线能量传输技术的研究，上海交通大学，天津工业大学，华南理工大学等等高校都开始了此项研究。
最近的几年，这项技术越来越受到关注，且应用领域越来越广，特别在医疗方面，有着巨大地应用价值，比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线供能技术的定点施药系统的设计等等研究。
总而言之，国内的关于无线能量传输技术的研究在进一步的深入，在研究领域方面也在进一步的扩大。
1.3几种无线供电技术的介绍
1.3.1电波辐射式无线供电技术
电波辐射式无线供电技术主要是把电能转换成电磁波或激光的形式通过空间传播，其工作原理如图1-1所示
图1-1电磁波辐射式无线供电系统原理框架图
该技术主要是通过电波的形式进行传输的，可以实现长距离，大范围的电能传输，但其方向性不强，穿过障碍物能量会比较弱，长距离传输会对周围产生电磁波辐射危害。
1.3.2感应耦合式无线供电技术
感应耦合式无线供电技术是以可分离变压器或松耦合变压器为磁路结构进行电能无线传输，其工作原理如图1-2所示
图1-2感应耦合式无线供电系统原理框架
其原理的实质是电磁感应，传输功率会比较大达到千瓦，其传输距离会比较短，一般在厘米，毫米级别。
1.4磁耦合谐振式无线供电技术
磁耦合式指有两个相互耦合的线圈在电路中，其中一个线圈若通以交流电，该电流会产生一个交变磁场，该线圈会产生一个感应电动势，同时在另一个线圈也会受到影响，也会产生感应电动势，两个线圈相互磁耦合，相互依赖，据有该现象的电路称为磁耦合感应电路，其中变化的电场产生变化的磁场，又可以转化为变化的电场，它们互相影响，相辅相成
接下来了解下变压器电磁耦合的基本原理，变压器基本原理电路图如图1-3所示
图1-3变压器原理图
图中设有两个耦合线圈1,2，匝数设为N1，N2，假设有交流电I1（t）通过线圈1时，在其会产生交变磁通链，设为自感磁通链，记为θ11，同时在线圈1中会产生感应电动势，记为E11,同时在线圈2中会产生磁通链，设为互感磁通链，记为θ21，交变的磁通链也会产生感应电动势，记为E21，磁通量与感应电流满足：
θ21=M21I1，θ12=M12I2，其中M12是线圈1对2的互感系数，M21是线圈2对1的互感系数，它的大程度越深，即为传输越好
由法拉第电磁感应定律，感应电动势为磁通链与时间的变化率，其感应电动势为：
U2=﹣dθ21/dt=-M21*dI1/dt
同理可得
U1=﹣dθ12/dt=-M12*dI2/dt
可以看出感应电动势由互感系数决定，所以在变压器线圈中，加入了铁芯，这样就可以提高互感系数，在本设计中由于线圈分离，所以为了提高能量的传输效率，引入了谐振技术，
下面介绍共振原理，模型图如图所示1-4所示
图1-4共振模型图
在图中若两音叉的固有频率一致时，在左端施以动能使其发声，这时在右端也能听到声音，这就是共振，本设计中主要把共振技术加入到磁耦合技术中，接下来介绍一个电路，称作串联谐振电路，如图1-5所示：
图1-5串联谐振电路
图中当电路发生谐振时，其谐振频率为F0=,F0是由电路本身的固有参数决定的，即当电源驱动频率和和电路的谐振频率一致时，其电路才发生谐振，所以要加入谐振回路，这样可以提高能量传输效率。
1.5磁耦合谐振式无线供电系统组成
磁耦合谐振无线供电主要利用磁耦合谐振技术，若要进行能量的传输，在发射回路和接收回路则需发生谐振，该系统主要包括发射部分和接收部分。
如图1-6所示：
图1-6谐振式无线供电系统组成
其中发射回路包括整流滤波电路，高频逆变电路，驱动电路，控制电路，供给电源，耦合发射线圈和补偿电容；
接收回路包括耦合接收线圈，补偿电容，高频滤波整流电路和负载；
耦合发射线圈和补偿电容组成发射回路的谐振电路，另外，耦合接收线圈和补偿电容则组成接收回路的谐振电路。
下面从几个核心技术介绍其功能：
高频逆变技术：
在该系统中，高频逆变技术主要将输入的直流电转化为高频的交流电，该部分影响整个传输系统的性能，使得具有一定的转化效率和功率输出，并且控制简单。
谐振补偿技术：
该技术的主要作用是为了提高系统的传输效率，主要对发射和接收的回路进行谐振补偿，可以分为串串（SS），并串（PS），串并（SP），并并（PP）这4种不同的结构
磁耦合谐振技术：
该技术是实现能量传输的基础，当系统工作时，在发射线圈上会产生交变的磁场和电场，经过磁耦合谐振原理，在接收线圈上会产生感应电压，发射和接收线圈处于谐振状态。
1.6磁耦合谐振无线供电系统的工作原理
磁耦合谐振式无线供电技术主要利用两个有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量从电源端向用电设备吸收端的无线传输。
其中A,S组成发射回路，D,B组成接收回路。
能量则是由A-S-D-B传输，能量可以在空间无线传输。
其简化原理如图1-7所示
图1-7磁耦合谐振无线供电系统工作原理
1.7本设计研究的主要内容
本设计研究的是一种基于磁耦合谐振式无线供电技术，相同谐振体之间通过磁场耦合进行能量的无线传输，本设计的目的在于如何提高系统的传输效率，分析各个因素对传输效率的影响输出功率和传输距离，通过实验数据和波形图，得到提高系统传输效率的方法及设计的科学性和电路设计的合理性。
谐振耦合谐振式电能无线传输技术与上述两种电能传输技术相比较有以下不同地方：
与微波原理的电能无线传输技术比较，有传输效率高，传输功率大和无方向性的特点，并且传输功率提高到千瓦级，传输效率大大提高，可达到80%；
和电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输距离提高了很多，而电磁感应原理的传输距离仅在毫米电机以内，相比来看，突破很大。
由以上几种技术的对比及自身特点，最终设计中选择磁耦合谐振式无线供电技术为设计的方案，主要是由于对小功率传输来说，它有传输效率高，传输距离较远等特点，较为适合本设计小功率近距离无线供电实验设计。
1.8无线供电传输效率影响因素分析
磁耦合谐振无线供电的传输效率很容易受到外界的干扰，由于整个传输的系统中，各个模块是高度相关联的，它们自身的特性都会对这个系统的传输效率造成影响，
研究参数对传输系统的影响，传输效率很容易受到外界各种因素的影响，因此要对各种影响因素进行分析，已达到实验的严谨性，磁耦合传输效率Φ通常用负载吸收功率P2与发射回路的输入功率P1之比表示：
Φ=P2/P1*100%
1.8.1磁耦合谐振回路的影响
电路中，消耗能量的有纯电阻，不消耗能量的是电容，电感，它们的主要作用是完成电能和磁场能的相互转化，导致电能在传输过程中损耗较多，这样能量传输效率也会降低，针对这个，可引入补偿电容，作用是在电路发生谐振时，可使电容和电感上消耗的无功功率近似为0
1.8.2接收回路补偿电路
对接收端回路进行谐振补偿也可减少接收端的无功功率，提高输出。
1.8.3品质因数的影响
在无线能量传输过程中，品质因数是一个很重要的参数，电磁学中，品质因数Q定义为储能元件所储能量与耗散能量之比，Q值越高，谐振回路的选择性越高
另外线圈间的距离，输入功率，线圈半径也会对传输效率产生影响，下面主要会对其进行试验研究。
2系统整体设计
2.1设计方案总框图及说明
无线输电供电方框图如图2-1所示，让电磁波发射器同接收设备在相同频率上产生共振，它们之间就可以进行能量互换。
即：
发射部分将电能转化为磁能，然后由接收部分将磁能转化为电能，经历了二次转换，电能和磁能相辅相成，如图2-1所示
图2-1系统整体框图
图中主要包括滤波整流，高频逆变，发射回路和接收回路组成，本设计中负载接的是20W的小灯泡，其中高频逆变部分要有一定的输出功率和转换效率。
2.2发射回路的设计
发射回路电路部分设计如下图2-2所示：
图2-2发射回路电路
整个发射回路主要由驱动电路，串联回路和两个高频变换开关电路组成，其中驱动电路信号由函数信号发生器产生，能输出可调的矩形波，锯齿波，正弦波，波形稳定，在发射线圈则是由输出稳定，可调电压的电压源提供。
2.3逆变电路的设计
逆变电路在整个系统中起着很重要的作用，作用主要是将直流电转化为交流电给发射回路提供能量，高频逆变电路要满足以下几点：
电路工作频率要满足实验需求；
转换效率较高且抗干扰能力强；
有一定安全性和稳定性，根据主回路拓扑结构不同，可分为全桥拓扑，半桥拓扑，推挽式拓扑等等；
这里选择的是全桥拓扑和半桥拓扑逆变器。
全桥逆变器电路原理图如图所示2-3所示
图2-3全桥逆变电路图
在其中Q1，Q2，Q3，Q4组成全桥逆变器的四个桥臂，电感L1和电容C1组成发射电路，电感L2和电容C2则组成接收电路
其工作原理为：
在驱动电路下，Q1，Q2，Q3，Q4轮流导通和截止，导通，截止的时间不超过一个周期；
则有当Q1，Q4导通，Q2,Q3截止是电流流过C1，L1并且不断饱和，同理当Q2，Q3导通，Q1，Q4截止是电流流过C1，L1并且不断饱和，这样则会在发射回路产生交变电流，在磁场耦合作用下，L2上也会产生一个感应交变电流，这样能量就回从发射端向接收端传递。
半桥逆变电路工作原理图如图2-4所示：
图2-4半桥逆变电路图
驱动电路产生方波信号控制Q1，Q2的导通和截止，轮流导通和截止，图2-5为工作波形图
图2-5半桥逆变电路工作波形
在T0~T1时，Q1导通，Q2截止，发射回路会给C1充电直到饱和，在T2~T3时，Q1截止，Q2导通，，C1回路会不断放电直到两端电压为0，如果这样循环，则会在发射回路中产生正弦交流电，发射回路会把能量传给接收回路L2两端
以上两种变换电路都有各自的特点和应用场合，相比而言，全桥逆变电路转换效率更高，其平衡性较好可提高系统的稳定性，适合高频率输出，但其驱动控制电路较为复杂，元器件较多，成本较高；
对于半桥逆变电路，其效率较低，但控制电路简单，适合低频率输出；
本设计中，是小功率的情况，所以选择半桥逆变器能量转换的高频逆变部分。
2.4谐振电感和电容
谐振电感和电容决定这个系统的工作频率，对系统的传输效率有很大的影响，所以对谐振线圈的选择很重要，一般谐振线圈的参数有寄生电容C和内阻R，电感L，寄生电容C和内阻R越小，电感L越大，能量传输效率越高；
所以要考虑的是由谐振线圈的材质，绕制方式。
一般，线圈材质一定，电感量的大小取决于线圈的匝数和绕制方式，线圈匝数越多，线径越大，电感量越大，实验中，单层线圈作为发射和接收回路的等效谐振电感，在无线传输中线圈的绕制形状主要有同心圆形状，空心螺旋形状和矩形形状，而单层线圈分为密绕，间绕和脱胎绕3种方式。
单层线圈密绕法就是将线圈导线一圈一圈紧挨缠绕在线圈骨架上，这个绕制方法具有较大的电感量，但其分布电容较大，为了改善密绕法线圈的性能，可采用多股丝包线或线圈匝数。
单层线圈间绕法是将线圈导线每匝之间隔一定距离缠绕在线圈骨架上，这个方法能有效的减小其电容分布，适合适用于高频电路中。
单层线圈间脱胎绕法的线圈其实就是空心螺旋线圈，其实就是前面两种绕法的变形，这个方法可以通过适当改变线圈每匝间的距离或直接改变其形状来满足所需要求指标（如，电感，分布电容），一般用于高频电路。
设计中谐振线圈如图2-6所示
图2-6谐振线圈
一般，线圈的固有频率主要取决于自身的参数，线圈的工作谐振频率会略低于固有频率，两者偏差不大。
补偿电容器要从以下几点考虑：
性能参数；
稳定性，其要保证系统的正常工作；
可靠性；
抗干扰性；
针对以上，设计中选择了无极薄膜电容为设计中发射和接收电路谐振补偿电容，另外，该电容还有高稳定性，价钱便宜，寿命长久等优点。
2.5接收回路的设计
接收回路电路原理图如图2-7所示：
（采用的是并联谐振补偿电路）
图2-7接收回路电路
如图，接收回路把交流电通过全桥D1，D2，D3，D4和滤波电容C3变成直流电，然后通过DC/DC稳压电路提供给负载，负载接的是20W的小灯泡，接收端的能量可直接提供给负载，主要是接收线圈和补偿电容。
2.5.1发射和接收线圈
为了使系统的传输效率达到最佳，接收回路谐振电路设计的参数要和发射回路传输一致，设计中，发射和接收线圈的直径为13CM，线径为0.5MM,一般在发射回路和接收回路参数设定一致时，传输效率会最佳，因此，设计中，应选择发射和接收线圈想匹配的。
2.5.2稳压电路
为了使输出电压稳定，在整流滤波电路后增加了一个稳压电路，其原理图如图2-8所示：
图2-8稳压电路原理图
该稳压电路的工作过程：
当晶体管T导通时，电流通过电感L,,和负载R0，这时负载端有电压输出，会给电容C两端不断充电，达到饱和状态，当晶体管T截止时，如果流过电容的电流大于流过电感的电流，这时电容会对电路放电，使输出电压和电流稳定，有：
U0=DU（其中D为晶体管的占空比。
3实验和分析
3.1主要实物制作展示
按设计要求，制作一个小功率的无线能量传输系统，其中主要部分电路实物如图3-1所示
图3-1系统实物图
3.1传输部分电路波形
传输部分的电路波形主要是发射部分线圈两端的电压的波形图和负载两端的电压波形图；
发射线圈两端的电压波形图近似为正弦波，由于磁耦合谐振感应，接收电路把能量提供给负载，则负载两单的电压波形图应该和发射线圈两端的波形图相似，如图3-1和3-2所示：
图3-1发射线圈电压波形
图3-2负载两端电压波形图
可以看出，发射和接收回路的电压波形图都是近似为正弦波的交流电，且谐振频率近似，能量传输中的大部分能量被负载吸收，在近距离下耦合谐振式电能传输效率较高。
3.2研究传输距离D-发射功率P1接收功率P2传输效率之间的关系，
检测在线圈距离改变时的发射和接收功率，计算传输效率（输入电压为12V），如下表3-3所示:
表3-3传输距离D和传输效率间的关系
传输距离（CM）
发射功率（W）
接收功率（W）
传输效率（%）
1
26.3
19.2
73.0
1.5
26.0
18.4
71.6
2
25.8
13.9
54.1
2.5
26.1
7.8
30.1
3
25.9
3.0
11.2
由上表可以看出，当发射功率不变时，接收功率会随着传输距离的增大逐渐变小，距离越远，功率越小，传输效率也越小，因此得出要提高系统的传输效率，可以使传输距离减小以达到最佳效果。
当然可以多测几组数据。
3.3研究发射端输入电压U-发射功率P1,接收功率P2传输效率之间的关系
检测在输入电压改变时的发射和接收功率，计算传输效率（控制发射回路输入电压，两线圈间的距离为2CM），如下表3-4所示：
表3-4输入电压和传输效率间的关系
发射端输入电压（V）
10
4.5
1.8
47.1
15
15.2
7.6
50.1
20
27.3
15.3
55.8
由上表可以看出，发射端输入电压越大，接收端接收功率越大，且传输效率也越大，因此得出可以适当提高输入电压，达到提高传输效率的目的，但电压不是越大越好，若电压过大，会在能量传输过程中消耗过大，反而使效率下降。
3.4研究驱动频率F-发射功率P1，接收功率P2，传输效率之间的关系
检测在驱动频率改变时的发射和接收功率，计算传输效率（驱动电压30V.传输距离3CM）,如下表3-5所示：
表3-5驱动频率和传输效率间的关系
驱动频率（F/HZ）
50
45
9.6
21.3
98.7
38.9
13.8
36.3
110.6
45.6
16.2
35.5
135.9
42.3
21.4
50.3
210.4
43.1
20.1
46.7
259.5
41.9
12.1
28.9
276.3
35.3
10.9
30.8
由上表可以看出，随着驱动频率的增大，接收功率会先增大，当达到最大值时，此时系统在谐振状态下，随后会慢慢减小。
综上所述，提高系统的传输效率的方法有很多，可以减小线圈间的距离，增加线圈的谐振频率，发射端输入功率，还有线圈自身的参数（如线圈的匝数，半径，线径），驱动频率接近系统谐振频率会使传输效率达到最高。
6总结
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