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1、摘 要随着科学技术的发展，各种不同功能的便携式电子产品充斥着当今社会，如手机、PDA、数码播放器和相机、笔记本电脑等。在实际运用这些设备中，每个产品都对应一个与之匹配的充电器。这种方式既浪费资源、增加产品的成本，且不利于环保的要求。其问题的关键所在就是充电器不具备通用性，更为重要的是，绝大部分电子产品都是传统的有线充电模式，对使用者来说充电比较麻烦。而具有统一标准的无线充电器具有如下优势：方便、多机共用、换机不换充电器，这些优势可以有效地解决上述问题。 基于此，本论文在无线充电方面做了一些研究。其内容主要集中在以下几个方面：概述了无线充电技术原理及无线充电技术的发展情况，针对影响无线充电系统指
2、标的关键技术进行分析，特别突出了能量发射模块和电源管理模块的设计特点,通过不断的测试和论证，为提高整套系统的传输效率和充电效率提出了几种解决方案。通过针对该设计存在的不足，对未来的无线充电技术进行展望。最后就本论文涉及的核心内容进行总结，旨在说明本课题研究的成果、价值以及意义。关键字：无线传能 ，无线充电，电磁感应ABSTRACTWith the development of science and technology, a variety of portable electronic products become more and more popular, such as mobile
3、 phones, PDA, digital cameras and players, PC and so on. In reality, each electronic product has a matched charger. However, it will not only increase the cost of products and waste resource, but also be harmful to the environment. Whats more, as all those chargers are not universal, it causes troub
4、les to the users. Moreover, the majority of electronic chargers are wired, so charger is relatively inconvenient for the users. The wireless charger with a unified standard has the following advantages: convenience, shared charger to different electronic products. These advantages can solve the abov
5、e problem effectively. Based on this, this thesis has done some research on the wireless charging. It mainly focused on the following areas: an overview of wireless charging technology principle and the development of wireless power technologies，also and the key technical analysis indicators to the
6、wireless charging system, in particular, this thesis highlighted the energy transmitter module and power management module design features, through continuous testing and verification. To improve the transmission efficiency of the entire system and the charging efficiency, we proposed several soluti
7、ons. For the shortcomings of the design, the future prospect of wireless charging technologies has been discussed. Finally, this thesis summarizes involving the core content of this subject, aiming to say the research achievement, value and significance.Key Words: Wireless energy transmission, Wirel
8、ess charging, Electromagnetic induction目 录第1章绪论11.1 无线电充电技术的概述11.1.1 引言11.1.2 国内外研究发展11.1.3 无线充电技术的前景与应用31.2 课题依据及选题依据3第2章无线供电基本理论52.1 引言52.2 电磁波方案52.2.1 无线电传播机制52.2.2 无线电传播特性62.2.3 电磁波无线供电应用实例72.3 微波供电方案82.3.1 微波无线电能传输特性82.3.2 微波无线电能传输空间传输理论82.3.3 频率的选择92.3.4 微波供电应用实例92.4 磁耦合无线供电方案102.4.1 磁耦合无线供电基本
9、理论102.4.2 磁耦合供电工作原理112.4.3 磁耦合方案的实例13第3章无线充电系统原理解析143.1 引言143.2 无线充电技术基本原理143.2.1 平面线圈的电磁场特性143.2.2 近场能量耦合原理的应用163.3 影响充电系统性能的关键因素分析173.3.1 线圈规格分析与选定173.3.2 系统传输效率183.3.3 系统传输效率203.3.4 系统工作电路电能损耗22第4章无线电系统的方案论证与实现234.1 无线充电电路的方案设计234.1.1 无线充电器的理论分析234.1.2 设计方案论证234.2 无线充电电路的设计与实现244.2.1 电源管理模块的电路设计2
10、44.2.2 能量发射模块的电路设计274.2.3 接收模块的简单设计29第5章全文总结与展望325.1 无线充电技术的研究目标325.2 无线充电技术的未来市场33参考文献35致谢36外文资料原文37外文资料译文43第1章 绪论1.1 无线电充电技术的概述1.1.1 引言伴随社会信息化的进程，数字化时代的到来，人们对能够随时随地保持沟通交流的移动通信的服务内容和质量要求越来越高。伴随着3G 手机和智能手机的推广和手机屏幕越来越大的同时，手机功能也越来越强大，与此同时也导致手机的耗电量迅速攀升。根据相关调查数据显示，视频播放的功耗是传统语音业务的 2-3 倍。待机时间的需求原来只局限于特定用户
11、群，但现在逐渐发展成一种普遍需求。手机待机时间的长短很大程度取决于电池的性能，而根据市场调研，目前电池技术的发展在短期内不会有重大突破，燃料电池还没有达到实用化阶段。一方面，单纯以增大电池体积来增加手机待机时间，会带来手机便携性下降的负面结果。另一方面，国家颁布的手机充电器的统一标准，在具体实施中遇到技术问题，迟迟不能普及。人们需要随时随地使用方便的充电装置。无线充电技术在很大程度上可以满足人们这种需求。具有统一标准的无线充电技术将具有如下优势：方便、多机共用、换机不换充电器，大量节省原材料，保护环境，满足特殊使用场合的需求，如防尘、防水、防爆。1.1.2 国内外研究发展早在100年前，特斯拉
12、用工作电压100MV、频率15OkHz的电磁波发生器产生的非定向电磁辐射成功地点亮了两盏白炽灯。这就是最初的无线输电实验室演示，从那时起无线输电的概念问世了。到了20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda论述了无线输电概念的可行性;30年代初期美国的研究者也开始了不用导线点亮电灯的输电方案的探讨。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功，20世纪60年代初期Raytheon公司的 WC.Brown做了大量的无线输电研究工作，从而奠定了无线输电的实验基础，使这一概念变成了现实;在他的实验中设计了结构简单、高效率的半波电偶极子半导体二极管整流天线，把它放在用来反射电磁波的导电平板之上
13、，纯电阻作为负载，用低噪声、高效率的放大管和磁空管作为微波源，将频率为2.45GHz的微波能量转换为直流电。Brown在20世纪60至70年代之间做了一系列实验，实验方法不断改进(从喇叭天线、反射面天线到相控阵天线，从一般的二极管到势垒二极管等)，射频能量转换为直流电的效率也不断提高。1977所做的实验中使用GaAs-Pt肖特基势垒二极管，用铝条构造半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8W，获得了90.6%的微波-直流电整流效率。后来他改用印刷薄膜，在频率2.45GHz时效率为85%。经过多年的精心研究，他演示的直流-直流的转换效率达到54%。自从Brown实验获得成功以后，人们开始对无线输
14、电技术产生了兴趣。斯坦福大学的Duun和他的同事也进行了理论研究，并证明了在半径lm的圆波导中以低损耗的TE001模式传输GW量级的高功率微波潜在的可行性。他们设想用圆波导传输的微波能量来驱动城市交通工具(如封闭的有轨电车或地铁)。据估计，如果传输频率1OGHz的TEO01波模，每传输10O0km的损耗约5%。但是由于大截面圆波导加工的困难和实际传输过程中波导模式的转换使得损耗增加，所以没有得到工程上的实施。美国在宇航局的支持下，1975年开始了无线输电地面实验的五年计划，由喷气发动机实验室和Lewis科研中心承担，将 3OkW的微波无线输送1.6km，微波一直流的转换效率为83%。从80年代
15、末起，些无线输电试验放在空间一地面、空间一空间之间进行，现在空间站上的无线输电试验正在进行着。1991年华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz的毫米波，整流天线的转换效率为72%。毫米波段的优点是天线的孔径较小，缺点是毫米波源的效率比厘米波低，器件的价格也较贵，还有波束传播的雨衰问题。由于无线通信频率的扩展，为了避免对2.45GHz频段通信潜在的干扰，美国宇航局倾向把5.SGHz的频率用于无线输电。这两个频率点的大气穿透性都很好，相应元器件的转换效率都很高，价格也便宜。1998年5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率达到了82%。前苏联在无线输电方面也进行了大量的研究。20世纪50年代末期，在著名科学家、诺贝尔奖金获得者的直接领导下，无线输电理论和实验研究拉开了序幕。在他超越时代的研究中，专门设计了命名为Planatron的微波器件，用来产生和转换微波功率。在他看来，未来微波电子学的主要研究方向就是微波电力工程，设计大功率、高效率的微波发生器和微波一直流电转换器是无线输电最紧迫的问题。在莫斯科大学，研究组在无线输电与卫星太阳能电站方面进行了大量的理论与实验研究(包括系统、子系统的设计和相关的微波器件的研制等)。与微波公司合作，他们研制出了一系列无线输电器件，其中包括无线输电的关键器件快回旋电子束波微波整流器。从1996年开始已将
