无线电能传输装置设计报告
摘要
磁耦合谐振式无线电能传输是众多短距离电能特殊传输技术之一，它因其便捷，节
能环保而受到广泛关注。现在磁耦合谐振式无线电能传输距离已经可以达到米级的范围， 甚至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传输距离问题解决以后该技术无疑对无线电能技术的发展具有重大的意义。该文主要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传输的原理设计制作的小型无线电能传输设备。该设备主要包括驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传输电路，磁耦合谐振接收电路，整流滤波电路，以及显示电路模块等。当发射和接收端都达到谐振频率时即可实现能量的最大传输。该设备在题目要求下可实现10cm以上，效率高达26%的能量传输，并且可以实现点亮30cm以外的2W的灯泡。
关键词磁耦合谐振
无线电能传输
发射距离
接收效率
一、设计任务
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。
要求：（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。 （2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
二、方案论证
2.1驱动发射线圈电路 方案一 ：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控。 其主要特点为：
1.自动适应供电电压调节功能使之能够在较宽的电压下均能工作 2.自动频率锁定 3.自动负检测负载 4.自动功率控制 5.高速能量输电传送 6.高效电磁能量转换
7.智能检测系统，免调试 方案二：
采用MOS管无稳态多谐振荡器，由两路MOS管，高频扼流圈和二极管组成对称的振荡器电路，原理图如下所示：
该方案电路简单明了，元器件少，并且操作起来简单。 综上所述，我们选择方案二。
2.2 磁耦合谐振传输和接收电路
方案一：
电磁感应式传输方式电能传输电路的基本特征是原边与副边电路分离，通过磁场耦合感应联系。该电路的优点包括存在较大气隙，使得原副边无电接触，可实现无线传输，较大的气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高。缺点包括传输距离短，实际上多在mm级。电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。 方案二：
谐振耦合方式该方案是由麻省理工学院物理系，电子工程，计算机科学系，以及军事纳米技术研究所得研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物题间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。该方式的优点包括。利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率高。能量传输不受空间障碍物的影响。传输效果与频率及天线尺寸密切。缺点包括谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。
其原理图如下所示：
图2-2 谐振耦合式电能传输原理图
方案三：
无线电波式（辐射式）该方案类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。但其缺点有微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。
综合本题目的各项要求，要求功率传输效率较高，同时距离要尽可能较大，我们选择方案二，谐振耦合方式进行信号和能量的传输。
2.3 整流滤波电路模块 方案一：
半波整流电路半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示
半波整流电路虽然达到了整流的目的，
但是负载电压及负载电流的大小随时间变化， 并且半
波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。
方案二：
桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示
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2.3 整流滤波电路模块
方案一：
半波整流电路半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示图2-3 半波整流电路图半波整流电路虽然达到了整流的目的，但是负载电压及负载电流的大小随时间变化，并且半波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。 方案二：
桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示图2-4：桥式整流电路图 综合题目分析，我们选择桥式整流电路，来提高效率的目的。 2.4整流稳压模块
由于在接受过程中，会受到周围环境的影响，所以如果直接利用单片机的AD 采集模块进行数据采集，由于单片机采集数据速度较快，会使得显示的数据不稳定，有很很大的漂移。所以我们在接收端添加了整流稳压电路，本次比赛我们采用线性可调稳压器LM317进行稳压，使得输出电压得以稳定，便于显示。 2.5显示控制模块 方案一：
选用AT89C51控制12864显示输出电压和电流，该方案的有利之处该单片机的使用相对成熟，网上有丰富的关于该单片机的资源，并且IO口操作简单，价格便宜等。但是如果这样控制模块就会显得很庞大，并且IO口不多，功耗大。 方案二：
选用TI公司的开发板msp430，该控制板执行速度和效率相对较高，并且功耗低，处理能力强，系统工作稳定，但是控制起来相对复杂。在本次比赛中，我们选用方案二。 三．理论分析与计算： 3.1系统整体模块
本系统整体采用磁耦合谐振式无线电能传输，主要方案选取了两个MOS管轮流导通，LC并联谐振，将直流电能转化成高频电磁波发射出去，接受端与发射端谐振匹配，最大限度接受高频电磁波，在经过后期的整流稳压处理，通过单片机的控制可以在12864液晶上显示出来。
图3-1系统整体方案图
3.2 发射端谐振驱动电路
原理分析：图中左半部分电位器R1实际是一个拨码开关，当开关合上时两个MOS管都被上拉电阻驱动，但此时的工作状态是暂稳态，并且在接通电源的瞬间，两个MOS并不是同时导通的，总会有一个接通的更快，另一个MOS管关闭。当导通的MOS管的栅极电压通过二极管驱动到零之后另一个MOS管被切断，谐振回路的电压会上升，当电压上升到某点后促使导通二极管的g极电压突变为0，然后MOS管由导通变为截止，同时另一路MOS管开始工作。如此反复就形成交变电压。此时高频厄流电感充当电流源，一旦通过它的电压变成了交流，从而使电路中产生狡辩磁场。此时，电路的电流将被限制到一个恒定值。右半部分由电容和发射线圈组成LC谐振电路，所谓磁耦合谐振式无限能量传输就是利用两个具有相同谐振频率的线圈在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传输。耦合的效率决定了的代数和，并且与施感电流呈线性关系，是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结果。设发射线圈和接收线圈的电压和电流分别为u1，i1和u2，i2，且都取关联参考方向，互感为M，则两耦合电感的电压电流关系为：
耦合因数用k表示，有
的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。改变或调整他们的相互位置有 可能改变耦合因数的大小。
3.3 接收端谐振电路
3.3.1电路如下图所示：
图3-3 接收端谐振回路
由上述分析可知发射与接收电路的谐振频率是关键，其次就是发射与接收线圈的品质因 数，品质因数越高，能量的损耗越小。需要注意的是要考虑趋肤效应，趋肤效应本质上是衰减电磁波向导体内传播引起的效应，当线圈固有频率较高时，粗导线线圈会受到趋肤效应的影响而使导线的利用率降低，因此必须考虑趋肤效应对传输距离的影响。 3.4主要元器件参数计算根据题目要求输入电压为15V，电流为1A左右，所以输入功率会大于15W，在综合考虑MOS管的工作电压和电流，此处我们采用的是IRF640，根据电路参整流二极管选用1N4148即可满足，其他类似的高速二极管也可满足。高频厄流电感采用的是47uH,此处可根据电路做适当调整。发射线圈选用高品质因数的铜线绕成的，这部分电路我们是采用改变电容值来改变谐振频率从而达到发射功率最大。同样，接收端也是通过改变电容值来调整谐振频率，从而与前级达到匹配。 线圈的电感值大小可通过下面公式来计算：
为取得最大的接收功率，接收端选用同样参数的线圈和电容。在整个的实验过程中，发射端与接收端的电感与电容值的选取是最重要的，它们共同决定了传输电磁波的频率，要想达到能量（功率）传输，我们应该选取电磁波频率较低的部分进行传输，但是要想令电磁波传输一定的距离，则需要电磁波的频率达到较高的部分进行传输，所以此次试验就需要我们自己根据题目要求来选取合适的电磁波频率即可。
图3-4 稳压模块原理图
1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317。 计算公式为：Uo=(1+R2/R1)*1.25 四.测试结果与误差分析：
4.1 硬件测试 经过上述的理论分析与计算，按照设计出的原理图进行硬件焊接，并对电路进行一系列的调试。上电测试，利用直流稳压电源输出15V，加到发送端上，刚上电时，由于我们没有意识到，要想让自激式振荡电路起振，必须让电源同时瞬时加到电路中，才能让电路正常工作，害怕电路一瞬间加太大的的电压会引起瞬间大电流脉冲，烧坏MOS管，加电时直接接上电源较低电压，再慢慢往上升，可是，MOS管总会出现一个管子很热，另一个不工作的状态。后来经过测试，总结，我们决定在MOS管前加一个拨码开关，来控制这个自激振荡电路可以起振，正常工作。在经过这个改正后我们将输出接在示波器上观察振荡波形。并通过LC谐振网络估计其振荡频率与实际输出波形的振荡频率相比较，发现两者基本相近。 但是要想达到题目所给的要求，必须满足传输效率要较高，所以要达到发射与接受的匹配，在本次比赛中，我们为了要达到匹配，我们令发射部分与接受部分采用相同材质的漆包线绕制的20cm直径的发射接受线圈，为了达到题目对接受端电压，电流，功率的要求，我们经过多次绕制，按照一定的顺序，改善这电感值和品质因数，用1mm漆包线绕制10圈，用1mm漆包线绕制5圈，用1mm漆包线两匝并饶绕制2圈等多种线圈。最后，我们发现用无氧铜2mm漆包线绕制的20cm直径的发射接受线圈，且用两股并绕两圈的方式（此时其电感量经测量大约在2uH—3uH之间，品质因数在3左右），可以达到较好的效果。但是在之前的分析中我们知道，要想让振荡电路发射端发射的功率达到最大，我们需要将谐振频率，调谐在电路固有频率上，经过多次改变与线圈并联的电容值，我们最后得到了发射端谐振频率与自激振荡固有频率，与接收端谐振频率基本谐振在同一个谐振频率上，使得接收端接受得到较平滑的正弦波，幅度也较大，满足题目要求，经过整流后，在滑动变阻器做负载的情况下，可得到超过8V的电压，电流基本可达到0.5V，满足题目（1）的要求。同时当负载换成两个串联的1W LED灯的时候，距离可达到35cm左右的距离，满足题目（2）的要求。
4.3实物照片
整体电路实物图： 发射接收线圈：
直流稳压模块：
整流模块：
五、结论、心得体会
经过几十天的日夜奋斗，小组成员互相协作，团结互助，完成了实验的大部分项目，并且很好的满足了题目要求。在本次设计过程中可谓困难重重，期间遇到了许多棘手的问题，特别是发射谐振回路和接收谐振回路的匹配部分花费了我们大量的时间和精力，但是我们始终没有放弃，最终在我们共同地努力和默契地配合下得到了令我们满意的结果。通过本次竞赛，首先不但让我们学习到了很多关于无线电能传输方面的理论知识，而且通过实际的焊接电路和调试将这些理论知识掌握的更好了。其次，我们对电路的设计、调试有了深刻的印象，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了很大的提高，并加深了对开关电源的理解，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性。
