无线电力传输系统2014年电子设计大赛F题

2014年全国大学生电子设计竞赛设计报告与总结F题.电能无线传输装置摘要：磁耦合谐振式无线电能传输装置克服了通过金属接触直接供电的种种弊端，如滑动磨损、接触火花、和不安全导体裸露，在易燃、易爆、高温、潮湿的环境中容易发生安全事故。无线电能传输装置具有更安全，更可靠，更耐用的电气特性，在一些易燃，易爆，水环境的特殊环境中进行能量接入具有无法比拟的优势。磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输距离中等，传输效率高，能穿过非磁导性障碍物传输电能等优点，使其有望取代电池为物联网中的传感器节点无线供电本文通过研究磁耦合谐振式无线电能传输机理，构建了传输系统的集总参数电路模型，对各模型参数进行了理论计算，并根据模型对不同传输距离下系统的传输效率与负载功率进行了分析，得出了不同耦合状态下系统获得最大负载功率的条件关键词：磁耦合谐振；无线电能传输；电路模型；最大负载功率；调谐电容设定。目录一系统方案1.1发射模块的选择1.2接收模块的选择二理论计算与分析2.1磁耦合谐振分析2.2磁耦合谐振计算三电路设计3.1发射模块3.2接收模块3.3调谐电容设定四数据测试4.1距离测试过程五参考文献附录1主要元件明细表附录2实物图一．系统方案1.1能传输系统原理及其结构非接触式电能传输系统的基本结构如图所示，其主要由驱动、传输模块和电能变换所组成，发射模块与接收模块通过磁场耦合相联系。发射电路把电能转换为磁场能量发射，通过前后级绕组的电磁感应将磁场能量传输到接收电路，经过相应的能量调节装置，将能量变换为应用场合负载可以直接使用的电能形式，从而达到了非接触式电能传输的目的。发射线圈接收线圈U1驱动电路U2电能变换xI2I1图一1.2方案比较与选择方案1主要采用2个MOS来驱动，发射线圈相当于一个电感，与电容形成一个谐振电路。这种条件下，无线传输的效率较大。方案2电磁感应短程传输利用电磁感应进行短程电力传输的摹本原理如l所示，发射线圈和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若在线圈L1中通以交变电流，电流将在岗围介质中形‘一个交变磁场’，线圈L2中产生的感应电势可供给移动设备或者给电池充电。为获得较大传输效率，采用方案1二.理论分析与计算图二2.1磁耦合谐振试无线电传输磁耦合谐振试无线电传输系统如图二所示，包括电源发射线圈，接受线圈，调谐电容，负载几部分。电源与发射线圈相连，通电后在发射线圈周围形成交变磁场，接收线圈至于交变磁场中，通过调谐电容使发射回路与接受回路具有相同的谐振频率，接收线圈在发射线圈产生的磁场中耦合到能量并产生写真，使能量源源不断被的从发射线圈流向接收线圈，再提供给负载使用，从而实现电能的无线传输。图二中Us是电源电压，Zs是电源内阻，C1，C2分别是发射接收线圈的调谐电容，L1，L2分别为发射，接收线圈的等效电感，R1，R2分别为发射接收线圈等效电阻，Zl为负载阻抗M是两线圈的互感。电源频率为M发射，接收回路的阻抗分别为：考虑两线圈之间的偶合关系,对上图所示电路列KVL得：由（1）（2）可求出发射，接受回路电流分别为2.2磁耦合谐振试参数计算本文分析的磁耦合谐振式无线电能传输系统实物如图3所示，其发射#接收线圈的半径均为r=200mm，匝数均为N=23，导线半径为=1.2mm，调谐电容电源电压US=15V，；，使发射，接收线圈同心安装空心线圈互感计算方式：其中u0为真空中磁导率，g为线圈截面的几何平均距离，其计算公式为g=k(2*a+25,N），k=0.2236，D为两线圈之间的距离高频条件下，空心线圈等效电阻主要包括线圈欧姆损耗电阻与辐射损耗电阻Rr[11]，对于磁耦合谐振式无线电能传输系统，其最佳工作频率一般为1~50MHz，此时有RrRo，即可忽略辐射损耗，则线圈等效电阻为其中&为铜的电导率发射，接收线圈固有频率为。根据已知条件，由式（7）（10）可计算出该系统的模型参数值见表表一系统模型参数值参数数值线圈半径r100mm导线半径a1.2mm调谐电容C线圈匝数N23发射接收线圈等效电感3.6mH三无线电能传输系统电路设计3.1发射模块2个IRFZ44NMOS管构成发射电路分别是Q1，Q2。产生一定频率的交电流，发射模块连接图发射模块仿真波形图3.2单相桥式全波整流电路电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法，桥式整流二极管：大家常用的一般是由4只单个二极管封装在一起的元件，取名桥式整流二极管,整流桥或全桥二极管。3.2调谐电容设定待发射和接受电路搭建好后，按照计算值在插槽中配置相应容值的电容，调节接收端调谐电容，观察小灯的亮度，待小灯变亮，加大两线圈之间距离，再改变容值微调，使接收频率不断接近理想的发射频率。四．测试结果与分析4.1不同传输距离下系统的负载功率与传输效率分析在进行磁耦合谐振式无线电能传输时，需要供电的设备可能在一定的距离范围内移动，使传输距离发生改变为了研究传输距离变化对无线电能传输的影响，设置距离D变化范围为30mm-300mm。当传输距离D＜100mm时，负载功率Pl在电源频率f=27kHz时很小，而在27kMHz附近的两个频率点处fa，fb处Pl获得最大值这是因为当两线圈距离很近时，由于相互间的耦合作用使得线圈回路的谐振频率不再等于单个线圈的固有频率27kMHz，而是分裂成为1MHz附近的两个谐振频率点fa，fb。所以当电源频率(f=27kHz时，两线圈未谐振，Pl值较小。当f=fa或fb两线圈发生谐振耦合，PL值最大此时系统的耦合状态可称为过耦合.当传输距离时D约等于100mm，负载功率P只在,f=27kHz处获得最大值，Pl=分析可知，随着传输距离D增大，两线圈间的耦合作用减弱，使得线圈回路的谐振频率不再分裂为两个频率点，而是等于单个线圈的固有频率1MHz，所以当电源频率f-=27kHz时，两线圈发生谐振，PL值最大此时系统的耦合状态可称为临界耦合。当传输距离D100mm时，并且随着D的继续增大，PLD0=27kHz不断减小分析可知，在传输距D100mm后，虽然在电源频率1=27kHz时两线圈发生谐振，但随着D的继续增大，两线圈间的耦合作用进一步减弱，使得接收线圈谐振时从发射线圈取得的能量减少，提供给负载的功率也随之减少此时系统的耦合状态可称为欠耦合。在磁耦合谐振式无线电能传输技术的实际应用时，如果要求系统的负载功率与传输效率较大，而传输距离不限，可通过设计使传输系统工作在过耦合或者临界耦合状态；如果要求系统的传输效率较高，且传输距离较远，而对负载功率要求不大，则可通过设计使系统工作在欠耦合状态。测试数据记录如表组数距离d(mm)负载电压U(v)负载功率P(w)灯输入电流I输入功率p传输效率13040.21.616亮1.0816.210%25042.41.797亮0.9914.8512.1%310036.71.339亮0.8913.3510.03%415018.60.345亮0.8612.92.67%520010.30.1亮0.8612.90.78%62505.70.032亮0.8813.20.24%73003.20.009亮0.913.00.07%4.2测试分析结论1）随着发射线圈与接收线圈距离的增大，磁耦合谐振式无线电能传输系统可划分为过耦合，临界耦合与欠耦合三种耦合状态当系统处于过耦合状态时，系统存在两个谐振频率点；当处于临界耦合或欠耦合状态时，系统仅有一个谐振频率点（2）当系统处于过耦合状态时，要使负载功率最大，必须使发射#接收线圈固有频率一致，且电源频率不等于线圈固有频率；当处于临界耦合与欠耦合状态时，要使负载功率最大，必须使发射,接收线圈固有频率与电源频率三者一致五．参考文献[1]AndreKurs,AristeidisKaralis,RobertMoffatt,J.D.Joannopoulos,MarinSoljacic.WirelessPowerTransferviaStronglyCoupledMagneticResonances[J].Science,2007,317（6）:83-86[2]AristeidisKaralis,J.D.Joannopoulos,MarinSoljacic.WirelessNon-RadiativeEnergyTransfer[C].Massac-husetts:TheAIPIndustrialPhysicsForum,2006:4-6[3]Shin-ichiA,FumihiroS,ShinkiK.Considerationofcontactlesspowerstationwithselectiveexcitationtomovingrobot.IEEETransactionsonMagnetics.1999,3（5）:3583-3585[4]BoysJT,CovicGA,GreenAW.Stabilityandcontrolofinductivelycoupledpowertransfersystems.[J].IEEProceedings:ElectricPowerApplications,2000147（1）:37-43[5]AristeidisKaralis,J.D.Joannopoulos,MarinSoljacic.EfficientWirelessNon-radiativeMid-rangeEnergyTransfer[R].Massachusetts:MassachusettsInstituteofTechnology,2007:9-10[6]W.C.Brown,Thehistoryofpowertransmissionbyradiowaves.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech,1984,Vol.32,1230-1242[7]王磊．面向嵌入式故障诊断系统的磁耦合谐振式无线功能研究[D]．长沙：国防科学技术大学机电工程与自动化学院，2011[8]傅文珍，张波，丘东元，王伟．自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J]．中国电机工程学报．2009，29（18）：21-25[9]傅文珍．频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究[C]．北京：第三届中国高校电力电子与电力传动学术年会．2009：41-46[10]陈汤铭，刘保安，罗应立．电感计算手册[M]．北京：机械工业出版社，[11]金建强．基于WiTricity植入器件无线电能传输方法研究[D]．天津：河北工业大学电气工程，2009：28-29附录A主要元件明细表原件名称数量元件名称数量元件名称数量IRFZ44N2LED1线圈2磁环电感21n41482HER308410K电阻2473电容4100欧绕线电阻21K电阻1104电容5实验板3附录B实物图整体实物图发射模块实物图负载模块