毕业设计(论文)开题报告-无线电能传输装置的硬件设计.docx

本科毕业设计论文开题报告 题目：电能无线传输装置的硬件设计 作者姓名 指导教师 专业班级 学 院 信息工程学院 提交日期 电能无线传输装置的硬件设计姓名：专业班级： 1 课题研究背景及意义人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性1，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险2-4。这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等范围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输5。实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响根据传输原理的不同。无线电能传输方式按传输原理的不同可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。作为无线电能传输的三种主流方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术比较具有实现性，且已应用于当前各种电子产品，它的优点是能量的传输效率较高，但存在传输距离短，发热大，线圈对准困难等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振无线电能传输中和了上述两种传输方式，具有中中等距离传输和较高效率的特点，因而受到的关注较多。2 无线电能传输研究发展2.1 无线电能传输国外研究发展 19世纪30年代，迈克尔法拉第提出电磁感应定律，即穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中会有电流产生。19世纪90年代，被称为无线电能传输之父的尼古拉特斯拉第一次提出无线电能传输的构想，并于1899年演示了无导线的高频电流电动机，但出于效率与安全的考虑，这一技术就此搁置6。20世纪20年代，日本的H.Yagi和S.Uda发明了八本宇田天线，可用于无线电能传输的定向。20世纪60年代，雷声公司（Raythheon）的布朗（W.C.Browm）设计了一种半波电偶极子半导体二极管整流天线，此天线效率高且结构简单，由此完成了32.45GHz微电波驱动直升机的实验7-8。后来，他又进行了室内微波能量传输实验，实现了90%的微波-直流能量转换效率。自Brown的实验成功以后，无线电能传输技术引起了广泛的关注。1968年，Peter Glaster提出通过构建太空太阳能为地球无线传输能源的设想。1975年，在美国宇航员的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5a计划。近几年，无线电能传输技术的发展更为迅猛。2007年，美国麻省理工学院的马林索尔贾西克（Marin Soljacic）等人在无线电能传输方面取得新进展，他们用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60w的灯泡7-8。2009年，TI和Fulton（eCoupled技术）公司合作开发用于控制非接触式充电的电源芯片。2011年，在东京举行的安防用品会展上，松下集团推出了一款无线充电的太阳能电池板。2012年，LockheedMartin公司研发出激光无线充电系统。2.2 无线电能传输国内研究发展无线能量传输技术在国内的起步较晚。1994年，电子科技大学的林为干院士第一次将微波输能技术引入到国内。之后，中科院电工所进行了相关的理论研究。1998年，上海大学利用微波输能实现了对管道机器人的供能。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感应电机机车上应用的可行性的文章。同年，重庆大学孙跃教授开始对无线电能传输技术的研究，且重庆大学与新西兰奥克大学展开了合作，进行更深层次的学术交流。2003年，重庆大学郑小林、皮喜田等对无线电能传输用于体内诊疗装置进行了研究。2007年，孙跃教授研制出了感应耦合无线输电装置，可同时向多个设备实现600到1000W的电能传输，效率高达70%。2009年四川大学使用平面天线和接收整流阵列，实现200m的长距离无线电能输送实验9。2013年3月中科院上海微系统所实现了0.6m距离的磁共振耦合能量传输，效率达50%。随着技术的成熟与进步，越来越多的科研机构及高校开始了关于无线电能传输技术的研究。研究进一步深入，研究领域也逐渐扩大。3 主要研究内容 本课题主要对基于磁耦合谐振的无线电能传输系统展开研究。首先完成此系统的设计，制作硬件电路，再分析影响传输距离与效率的因素，并通过改进与调试，实现传输距离与传输效率的最优化。3.1 磁耦合谐振无线电能传输机理3.1.1 磁耦合 一个线圈的电流变化在相邻的线圈产生感应电动势,它们在电的方面彼此独立,之间的相互影响是靠磁场将其联系起来的,这种现象称为磁耦合。能量传输的效率和传输的距离主要取决于耦合的效率。自感磁通链和互感磁通链两部分相加即是耦合线圈中的磁通链，耦合线圈的磁通链与施感电流呈线性关系，是各施感电流的磁通链叠加得到的结果。若两个耦合电感，L1和L2中有变动电流，各电感中的磁通链将会随着电流变化而变化10。设耦合电感L1和L2的电压和电流，分别为、和、，且方向都为关联参考方向，互感是M，则两个耦合电感的电压、电流的关系为： （3-1） 耦合系数定量地描述了两个耦合线圈的耦合紧疏程度，用k表示，有 (3-2)k 的大小，两个线圈的相互位置、结构以及周围的磁介质有关系。调整或改变他们的相互位置，可以改变耦合因数的大小；当L1和L2一定，也就相应改变了互感M的大小。 3.1.2 传输系统原理 下图3.1为磁耦合谐振式无线电能传输系统的框图。该系统主要是由能量发射端及能量接收端组成。能量发射端以直流作为功率输入，经过逆变后形成了高频激励源，使与之直接相连的源线圈产生谐振，且在源线圈的周围形成了交变磁场。发射线圈通过感应源线圈的交变磁场与之形成共振。这样，能量就通过源线圈传送到发射线圈，再经发射线圈传递出去11。能量接收端有两个线圈，分别是接收线圈和负载线圈。接收线圈在收到发射线圈传递过来的能量后，再传送图3.1 磁耦合谐振式无线传能系统框图给负载线圈。负载线圈之后连接能量变换电路，使高频交流功率转换成直流功率，供给后面的用电负载使用12。 3.2 系统方案初步设计3.2.1 系统整体设计 系统由发射装置电路、接收装置电路、单片机控制部分、驱动电路、辅助电源电路和整流电路组成，如图3.2所示。主电路输入直流电压，电能通过发射装置发射出去，接收装置接收后通过整流电路将电能提供给负载。控制电路由单片机控制系统组成，单片机产生PFM 和PWM信号，控制开关管的导通和截止，产生方波信号，单片机通过A/D对输入电压进行采样并通过液晶屏显示出来。K60 单片机 图3.2 系统整体框图3.2.2 发射电路 方案一：采用桥式串联谐振电路，电路由直流电源Vcc、四个开关管以及串联LC 谐振网络组成。其原理图如图3.3所示。 图3.3 桥式串联谐振电路原理图 电路正常工作时需要两个相位相反的驱动脉冲分别控制两组开关管。T1 和T4开关管由一个驱动脉冲控制，T2和T3开关管由另一个驱动脉冲来控制。此设计电源利用效率高，但是采用四个开关管，结构复杂，体积较大，成本较高，控制复杂而且驱动电路复杂，导通损耗也相对较大。并且不能出现同一桥臂的开关管同时导通，因此对同一组开关管参数的一致性要求高。 方案二：采用D类功率放大电路发射，其电路原理图如图3.4所示。图3.4 D类串联谐振电路原理图 T1和T2为两个参数相同的开关管，L和C为输出端的串联谐振回路。加在开关管上的驱动信号相差180，驱动信号采用矩形波，因为其激励效率更高。半桥发射电路由于只需要两个开关管，体积相对较小、结构简单并且控制较容易。而且输出功率也不会太低。 比较上述两种方案，方案二更简便，更易实现，较符合实际情况。因此，选择方案二。 如图3.5为发射电路的初步设计方案。图3.5 发射电路原理图 电路中，加在开关管上的驱动信号为互补的方波，为防止两管同时导通，两方波之间加有死区时间。当T1管闭合时，T2管断开，选频网络及负载上的电压为电源电压Vcc减去T1管的饱和压降；当T1管断开，T2管闭合时，选频网络及负载上的电压为T2管的饱和压降。由于输出回路的选频作用，输出电压就是正弦波的电压，频率为驱动信号的基频13。当开关频率调节到与谐振频率相差不多时，LC串联回路发生谐振。3.2.3 整流电路模块设计方案一：单向半波整流电路，半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、下半周的整流方法。方案二：单向全波整流就是对交流电的正、负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电的负半周也变成正半周方案三：桥式全波整流利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通。 桥式全波整流电源利用率高，输出的直流电压较高.输出电压脉动小，正负半周均有电流流过14，所以采用桥式全波整流电路的效率相比其他两种电路最高，在体积相同的情况下，功率容量最高，因此其总体性能优于单向半波和单向全波整流电路。所以该系统采用桥式全波整流。 图3.6 桥式全波整流电路3.3 影响传输距离和效率的因素初步分析3.3.1 谐振频率 谐振频率是磁耦合谐振无线电能传输系统中的一个非常重要的指标。提高线圈的谐振频率，增大谐振线圈之间的互感，减小谐振线圈的内阻，是提高系统传输能效的关键举措15。但因为趋肤效应，提高谐振频率会使增大线圈内阻，因此，谐振频率并不是越大越好。怎样选取共振频率，使系统的传输能效达到最大，是磁耦合无线电能传输系统下一步需要解决的问题。3.3.2 线圈参数 以工程中常用的漆包线绕制的螺旋线圈为对象，分析线圈参数对传输距离的影响。在发射线圈与接受线圈同轴防止，且都为为螺旋线圈时，谐振耦合无线电能传输的距离与互感的关系为16 (3-3) 式中，n1、n2 分别为发射线圈与接收线圈的匝数；r1、r2 分别为发射线圈与接收线圈的半径；D 为线圈之间的距离。对于结构和参数相同的发射线圈，可以令n1=n2=n，r1=r2=r，代入式（3-3）可得到 (3-4) 线圈的电阻，包括辐射阻抗Rr，以及因趋肤效应等产生的损耗电阻Ro 。对于一般的磁耦合谐振无线电能传输系统，最佳谐振频率一般在150MHz，在此频率段范围内 ，RrRo，因此辐射损耗可略去不计。高频条件下，线圈的损耗电阻为17： （3-5）式（3-5）中，为角频率；a为线径；l为线圈漆包线的周长；为电导率。将式（3-4）和式（3-5）代入可得到有效的传输距离，即 （3-6）由式（3-6）可的：有效传输距离与线圈的线径a、半径r、电导率、角频率等因素有关。3.3.3 线圈形状 据前文论述，可得传输的距离随着线圈的线径增大而增大，线径增大之后，由于趋肤效应，导线有效截面积会减小，从而造成导线的利用率下降，等效电阻变大，谐振的能量损耗会增加，进而导致线圈产生的磁场强度，和作用范围下降，也影响能量的传输距离。如果采用多股导线并联的单匝线圈结构，来增大线径，不但能减小趋肤效应的影响，还可以减小绕线电阻18。这也是减小电感以提高线圈固有频率的一种方法。 如图3.6所示为多股导线并联的单匝线圈结构，谐振电容 C 被并联在线圈的两端。图3.6 多股导线并联单匝线圈结构4 研究工作总体安排与时间进度2015年12月20日2015年12月31日：查找相关资料，确定研究方向；2016年01月01日2016年01月07日：学习基础知识；2016年01月08日2016年01月15日：查找相关外文文献，确定与课题相关的两篇；2016年01月16日2016年02月03日：进行外文翻译2016年02月4 日2016年02月10日：修改外文翻译；2016年02月10日2016年02月16日：查找相关文献，撰写文献综述；2016年02月17日2016年02月25日：修改文献综述；2016年02月26日2016年03月02日；撰写开题报告，与导师交流；2016年03月03日2016年03月09日：确定初步设计方案；2016年03月10日2016年03月20日：进行发射线圈及电路的设计；2016年03月21日2016年03月31日：进行接收线圈及整流电路的设计；2016年04月01日2016年04月09日：制作发射电路硬件；2016年04月10日2016年04月25日：制作接收电路硬件；2016年04月26日2016年04月30日：调试硬件线路；2016年05月01日2016年05月07日：将硬件线路与软件线路结合调试；2016年05月08日2016年05月20日：根据调试结果对硬件线路进行改进，最终完成成品的设计；2016年05月21日2016年05月31日：整理、总结研究数据，撰写毕业论文初稿；2016年06月01日2016年06月10日：修改毕业论文； 2016年06月11日2016年06月17日：完成论文终稿，PPT制作，准备答辩。 参考文献1 K.W.E.Cheng, Lu,Y. Development of a Contactless Power Converter, IEEE International Conference on Industrial Technology, 2002 (2): 786-791.2 J.T.Boys, A.P.Hu, G.A.Covic,“Critical Q analysis of a current-fed resonant converter for ICPT applications,” in Proc. Electronics Letters, 2000:1440-1441.3 J.T.Boys, G.A.Covic,“Pick-up transformer for ICPT applications,”in Proc. Electronics Letters, 2002:1276-1278.4戴卫力,费峻涛,肖建康,范新南. 无线电能传输技术综述及应用前景J. 电气技术,2010,07:1-6.5 Syed Khalid Rahman1, Omar Ahmed2, Md. Saiful Islam1, A. H. M. Rafiul Awal1,Md. Shariful Islam“Design and construction of wireless power transfer system using magnetic resonant coupling”，online May 10, 2014:22-31.6白明侠,黄昭.无线电力传输的历史和发展应用J. 湘南学院学报,2010,05:51-53.7黄吉金,黄珊. 微波能量传输技术及其应用发展方向J. 微波学报,2012,S2:485-490.8范兴明,莫小勇,张鑫. 磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用J. 电工技术学报,2013,12:75-82+99.9黄学良,谭林林,陈中,强浩,周亚龙,王维,曹伟杰. 无线电能传输技术研究与应用综述J. 电工技术学报,2013,10:1-11.10张小壮. 磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其实验装置研究D.哈尔11李炜昕,王炅,张合,丁立波. 基于磁耦合谐振的无线能量传输系统J. 系统工程与电子技术,2014,04:637-642.12毛银花. 用于无线传感器网络的磁共振式无线能量传输系统D.哈尔滨工业大学,2011:35-40.13吴嘉迅,吴俊勇,张宁,黄威博,杨玉青,徐倪睿. 基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究J. 现代电力,2012,01:24-28.14严萍. 单相桥式整流电路的教学设计J. 时代教育,2012,12:18.15翟渊,孙跃,戴欣,苏玉刚,王智慧. 磁共振模式无线电能传输系统建模与分析J. 中国电机工程学报,2012,12:155-160.16 Aristeidis Karalis, J D Joannopoulos, Marin Soljacic.Efficient wireless non-radiative mid-range energy transferJ. Annals of Physics, 2008, 32(3): 34-48.17 Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonancesJ. Science, 2007, 317(6): 83-86.18李莎. 基于磁耦合谐振的无线能量传输技术研究D.河南师范大学,2013:15-25.