無線電能傳輸裝置

1、無線電能傳輸裝置摘要無線電能傳輸是目前被廣泛研究的一項(xiàng)具有重大意義的課題，本次設(shè)計(jì)利用LC磁耦合諧振電路進(jìn)行無線電能傳輸，因磁耦合諧振技術(shù)作為中距離高效無線能量傳輸技術(shù)，與傳統(tǒng)無線能量傳輸技術(shù)相比具有傳輸效率高，條件要求低等明顯優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)在互感原理和耦合理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，研究了如何提高諧振無線傳輸?shù)男省Ｍㄟ^實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了距離，線徑，線圈繞法等對(duì)傳輸效率的影響。本次設(shè)計(jì)的發(fā)射端，利用了TI公司提供的mps430產(chǎn)生PWM信號(hào)經(jīng)過非門轉(zhuǎn)換成兩路互補(bǔ)的pwm信號(hào)經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)全橋，將直流電壓逆變?yōu)榻涣鳎M(jìn)行LC諧振，將電能轉(zhuǎn)化為磁能輻射出去；接收端利用LC諧振接收發(fā)射端發(fā)出的磁能，在利

2、用整流技術(shù)將接收到的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，供負(fù)載使用，并具有較高的傳輸效率。關(guān)鍵詞：無線電能傳輸；LC磁耦合諧振；傳輸效率高；驅(qū)動(dòng)全橋；整流技術(shù)。01 任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖 要求 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時(shí)，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（45分）（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間

3、距離x。（45分）（3）其他自主發(fā)揮（10分）2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2.1方案一 采取磁耦合感應(yīng)式電能傳輸磁耦合感應(yīng)式電能傳輸無線電能傳輸機(jī)理類似于可分離變壓器，氣隙部分代替了鐵芯，導(dǎo)致了磁力線沒有定向的通道和負(fù)載側(cè)的線圈相鉸鏈。因此只有在較短的距離下，才能實(shí)現(xiàn)較高頻率和較大功率的傳輸。當(dāng)距離增加后，傳輸效率急劇下降。該無線電能傳輸方式一般只有在小于傳輸線圈直徑的傳輸距離下，才能達(dá)到較高的效率和較大的功率。2.2 方案二 采用磁耦合諧振式無線電能傳輸 利用諧振原理，使得其在中等距離(傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍）傳輸時(shí)，仍能得到較高的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響【

4、6。相比于感應(yīng)式，該方法傳輸距離較遠(yuǎn)；相比于輻射式，其對(duì)電磁環(huán)境的影響較小，且功率較大。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)玫皆絹碓蕉嗟难芯俊?綜上所述我們選擇方案二。利用LC磁耦合諧振原理進(jìn)行無線電能的傳輸，其設(shè)計(jì)原理如下圖所示。發(fā)射部分 TLP25074HC04Mps430單片機(jī)發(fā)射線圈全橋逆變電路接收部分接收線圈 負(fù)載整流裝置3 方案論證3.1 基本結(jié)構(gòu)從能量傳輸?shù)挠^點(diǎn)出發(fā)，電能的傳輸至少需要兩個(gè)線圈。利用兩個(gè)諧振線圈進(jìn)行無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，為MCRWPR的第一種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為兩線圈結(jié)構(gòu)。另外在兩個(gè)諧振線圈的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)感應(yīng)線圈，使電源線圈與發(fā)射線圈隔離，負(fù)載與接收線圈相隔離

5、，為MCRWPR的第二種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)被稱作四線圈結(jié)構(gòu)。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抽象模型如圖1所示。圖1為了有效的傳輸電能，發(fā)射線圈與接收線圈的自諧振頻率設(shè)置為同一頻率，即為系統(tǒng)的諧振頻率。根據(jù)題目要求我們決定采用兩線圈結(jié)構(gòu)。3.2 工作原理 從能量流動(dòng)的觀點(diǎn)出發(fā)，分析兩線圈結(jié)構(gòu)MCRWPR的電能傳輸機(jī)理。電源給發(fā)電線圈供電，頻率為系統(tǒng)諧振頻率。此時(shí)發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因?yàn)榘l(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。發(fā)射線圈中電容的電場(chǎng)能因?yàn)橹C振與電感線圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場(chǎng)有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場(chǎng)在接收線圈中感應(yīng)出電

6、流，因此能量傳送到接收端。在接收端，電容中的電場(chǎng)能和電感線圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行能量交換，最終把能量傳遞給負(fù)載。3.3 參數(shù)計(jì)算 想要實(shí)現(xiàn)諧振，兩個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)必須要有相同的參數(shù)，以保證網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)生諧振，并且要能找到合適的諧振頻率，只有在兩網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振時(shí)，能量才能以最大的效率傳遞。因此對(duì)于電路參數(shù)的計(jì)算十分的重要。本次實(shí)驗(yàn)中，以電感量為定值，首先選取電感的參數(shù)，然后再根據(jù)諧振頻率來計(jì)算電容的大小諧振頻率： f=1/2LC···············

7、··············（式 1）電容值： C=1/(2f)2*L·························（式 2） 3.4線圈方案論證 根據(jù)資料顯示，不同的線圈對(duì)于磁耦合無線傳輸?shù)男视兄苤匾?/p>

8、的影響，因此在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)于線圈的繞發(fā)對(duì)效率的影響做了較多的研究與實(shí)驗(yàn)，的處理一下一系列結(jié)論。3.4.1 諧振頻率 在一切條件與參數(shù)均固定不變時(shí)，僅改變電源的頻率，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖（2）所示。接受功率的極值出現(xiàn)在f,f/2,f/3.處，其中f為裝置的固有頻率，即發(fā)射接收端的固有頻率。 圖（2） 圖（3）3.4.2 線圈距離 在保持其他條件不變的情況下改變發(fā)射線圈與接收線圈間的距離，發(fā)現(xiàn)并非離得越近傳輸效果越好。得到了如圖（3）所示的曲線，可見當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈保持一定距離是傳輸效果最理想。3.4.3 線徑 在其他條件不變的情況下，改變繞制線圈所用的導(dǎo)線線徑，發(fā)現(xiàn)其對(duì)接受效率有著明顯的影響，

9、通過實(shí)驗(yàn)得出，發(fā)射端線徑大好，接收端線徑小好。3.4.4線圈形狀 在其他條件不變的情況下，對(duì)餅狀，環(huán)狀等多種形勢(shì)的線圈進(jìn)行了測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)餅狀比較好。4 電路設(shè)計(jì)說明4.1 發(fā)射部分4.1.1 PWM輸出 本次設(shè)計(jì)采用TI的mps430作為控制中心，利用其產(chǎn)生逆變所需要的PWM信號(hào)，并顯示輸出的PWM頻率，利用外部按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，方便設(shè)備的調(diào)試。4.1.2 逆變及驅(qū)動(dòng) 為了驅(qū)動(dòng)LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振，必須要產(chǎn)生交流信號(hào)，此次設(shè)計(jì)利用電力電子中的逆變技術(shù)，將15V的直流電壓，變?yōu)?5V的方波交流電壓，然后去驅(qū)動(dòng)LC網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)諧振。逆變及驅(qū)動(dòng)電路圖如圖 驅(qū)動(dòng)部分 逆變部分4.2 接收部分整流電路 利用

10、LC諧振網(wǎng)絡(luò)接收到的是高頻的交流電，而我們所要使用的負(fù)載卻為直流負(fù)載，如LED燈，因此利用整流電路將接收到的交流變?yōu)橹绷?，是無線電能傳輸中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，利用電力電子知識(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)如圖（4）所示的整流電路。 圖（4）整流電路5 測(cè)試結(jié)果及分析5.1 測(cè)試結(jié)果效率測(cè)量序號(hào)輸入電壓 Ui(V)輸入電流 Ii（A）輸出電壓 Uo(V)輸出電流 Io(A) 效率 （%）PWM頻率 （KHz） 1150.7550.480.005 0.03500 2150.7650.600.008 0.04500 3150.7650.80.10 0.70500 4150.7701.00.12 1.04500 5150.7

11、751.20.11 1.14500 6150.7951.30.10 1.09500LED顯示效果在負(fù)載為L(zhǎng)ED燈，輸入電壓15V,PWM頻率為500KHZ時(shí)，線圈距離從10cm開始增加到70cm的過程中可看到LED燈持續(xù)發(fā)光。5.2 數(shù)據(jù)分析經(jīng)過多次測(cè)量顯示，帶動(dòng)LED燈發(fā)光的效果非常好，且距離可以達(dá)到很遠(yuǎn)。但在用劃變?yōu)樨?fù)載時(shí)效果不太好，帶載能力比較差?？赡茉蚴墙邮漳芰亢蟮恼鳂蚶锏亩O管選型不好，開關(guān)頻率太低。 6 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過從8月12號(hào)到15號(hào)的日夜奮戰(zhàn)，我們完成了一個(gè)磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置系統(tǒng)，系統(tǒng)部分達(dá)到試題要求，系統(tǒng)各個(gè)模塊的制作和選擇都是經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算，盡管在制作中精益

12、求精，但系統(tǒng)仍存在許多需要改善的地方。例如諧振頻率點(diǎn)的調(diào)節(jié)，造成系統(tǒng)誤差；軟件設(shè)計(jì)不夠完善，算法欠佳，精度不夠等。操作簡(jiǎn)單是此系統(tǒng)一大優(yōu)點(diǎn)。7 參考文獻(xiàn)【1】 閻石 數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué).高等教育出版社.2006.【2】 童詩(shī)白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué).高等教育出版社.2006.【3】 王兆安 劉進(jìn)軍 電力電子技術(shù) 西安交通大學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社2009【4】 黨宏社.電路、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與電子實(shí)訓(xùn)M.電子工業(yè)出版社.2008.8目錄1 任務(wù)12系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)12.1方案一 采取磁耦合感應(yīng)式電能傳輸12.2 方案二 采用磁耦合諧振式無線電能傳輸13 方案論證23.1 基本結(jié)構(gòu)23.2 工作原理33.3 參數(shù)計(jì)算43.4線圈方案論證44 電路設(shè)計(jì)說明54.1 發(fā)射部分54.1.1 PWM輸出54.1.2 逆變及驅(qū)動(dòng)54.2 接收部分65 測(cè)試結(jié)果及分析75.1 測(cè)試結(jié)果75.2 數(shù)據(jù)分析77 參考文獻(xiàn)82014年TI杯競(jìng)賽陜西賽區(qū)設(shè)計(jì)