无线能量传输原理和方案.doc

智能电压力锅无线能量传输方案设计
参赛者：林宝伟、李仕远
一、无线电能传输简介：
无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。无线电技术大量的应用于以无线广播、电视、移动通讯和无线数据传输网络中。既然电磁波不需要介质也能向外传递能量那么我们能不能在电力传送上也采用无线传输的方式呢？
所以无线供电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，但是远距离无线供电技术一直在进行着。研究表明，远距离传输电力传递能量效率低、辐射大，目前还不现实，但近距离传输能量还是容易做到的。近年来，便携式电子产品大量涌现,如手机、笔记本等移动设备的电池充电时需要一个充电器，一端连在市电电源上，另外一端连在移动设备上，频繁的插拔不但使用不便，而且容易损坏，同时也不安全。在工作环境恶劣的场合，比如水中，应该尽可能避免电气接触。有时，需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然而，电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器打开更换电池是非常麻烦的事情，有时也是不允许的。因此这种近距离无线供电技术有着广泛的应用前景。
因此，国际上对无线供电技术的研究蓬勃开展。传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。
二、无线电能传输的原理和方案
1. 电磁感应（磁耦合）
1.1 原理
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之问的相互联系和转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行T作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。
1.2 实现方案
基于松耦合变压器的全桥谐振变
非接触电能传输系统利用疏松感应耦合系统和电力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。和传统变压器有很大的不同，较大气隙导致变压器具有较大漏感．其储能降低变压器效率并增加器件应力。因此．利用漏感的电路拓扑如谐振或软开关拓扑是解决这一问题的较优选择。
图1所示为初、次级都不加补偿的松耦合谐振变换器，流过变压器的电流近似线性变化。为了得到较高的功率传输比，降低由漏感所引起的开关管的高电压应力，减小变压器对周围环境的电磁辐射，必须在松耦合变压器原副边加入适当的补偿电路，这样，不仅能使电路中的电流尽量正弦化，减小了辐射，也有效地利用了电路中的寄生参数，减小了寄生参数对电路的影响初次级补偿的目的是为了获得一个 谐振电路。次级串联补偿时， 电容电压补偿了初级绕 组漏感上的电压降． 从而降低了变换器开关器件的额 定电压。 同时由于电路实现了谐振， 绕组上的电流为 正弦波， 大大减少了对环境的电磁干扰。次级补偿通 常也可采用串联补偿或并联补偿的两种补偿方式
串联补偿如下图所示：

其中VQ1~VQ4开关的控制设计：
图3为控制电路原理图，其核心为谐振控制 器 U C 3 8 6 1 。U C 3 8 6 1是一款高性能的准谐振软开关 控制器， 主要由压控振荡器 、 单稳态电路、 故障和逻 辑精密参考、偏置和5 V发生电路等组成。在实验 中，C P = CS ~= 2 8 2 n F ，用 Ma t l a b仿真计算所得到的高谐振 频率为3 6k Hz ， 测得电路的实际f o = 3 7 k H z ， 所以设定 U C 3 8 6 1输 出的最低频率= 3 7 k Hz ，功率管为 I GB T， 因为 I GB T的 fs不能很高 ， 所以设 定 UC 3 8 6 1 输出的最高频率f(max)= l O O k H z 。

通过分析和实验验证可得： ①如果变换器的 松耦合变压器磁芯之 间的距离不变 ． 只是负载在一 定范围内变化时． 谐振频率基本不变： ②如果选取 的补偿电容使系统发生频率交叉现象． 工作频率应 该选择在高谐振点附近； ③脉冲频率调制( P F M) 的 控制方法能很好地应用于松耦合谐振变换器的控 制： ④开关频率越接近谐振频率， 电路中的无功功率 就越小， 损耗就越小， 系统的效率就越高。故在设计 这类变换器时。 应尽量使开关频率靠近谐振频率。
2. 电磁共振
2.1 原理：
无线传输电能，有多种方式,其中以电磁共振为基础的无线能量传输, 是以电磁共振为主要理论依据,即发射端发射的电磁波的频率与接收端的谐振频率一致,结果在两个线圈之间产生共振,以实现能量的传递 .可以以一定距离内,透过所有非金属传递能量,却不能透过任何金属介质.
电波被接收后被转化为电流，通过一个LC电路发生共振（也相当于物理里机械的共振）和他共振的这一频率的电波电流被加强几十到几百倍，这样就能显象出来，再送去还原，放大，就收到了
电磁共振有其自身的 特性和缺陷，主要归结为以下几点：
1 ．电磁共振的前提是发射与接收 的谐振频率必需一致。
2 ．电磁共振以 “ 电一磁一 电”的 方式实现能量的传递，而且是一个开放 的系统，必然存在着电磁辐射和能量的 损耗。因此，近距离的实际效率很难超 过 8 0 ％，远距离的状态下，效率可能 低到0 ，并不符合节能的概念。
3．电磁共振可以穿透所有非金属， 却不能穿透任何金属。可以利用这个 特性，来实现对其自身的 E MI 问题。
5 ．在几厘米以内的近距离的电磁 共振中，还存在着另一个实际问题 ， 即空振高压问题。接收电路在有负载 时的电压与空载时的电压相差悬殊， 往往是数倍甚至是十倍以上，致使接 收电路在空载时，由于电压的大幅度升高 ，将负载 电路烧坏。这可能是电 磁共振的无线供 电一直难以实用的主 要原 因之一 。
4结束语
无论哪一种无线供电方案，都存在一些关键问题亟待解决。一是传输效率不高的问题。比如点亮灯泡时，电力在传送中流失了45%，因此输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池。二是安全性问题，无线传输能量产生的电磁波对生物的辐射作用多大还没有认知，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因素。三是有效传输距离的远近，目前在几英尺的距离内传输，离实用相差很远。四是传输功率的大小。