简易无线充电装置研制

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1、第一章 绪论 无线充电是一项令人兴奋的技术。顾名思义，无线充电是指具有电池 的装置透过 1 无线感应的方式取得电力而进行充电 。 今年，无线充电技术经过 数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。其方便性可以让消费者愿意支付额外的费 用购买无线充电相关产品；由于这产技术相当新颖且各厂商有自己对技术的表述， 所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术，距离 1mm 到数米都是一样是无线，供电端与受电端交互作用就称感应，所以无线充电 是广义的名词没有一定的规格。 无线充电技术的优势在于便捷性和通用性，可使 得多种设备使用一台充电基站，也许在不久的将来，各种电源适配器剪不断理还乱

2、的情况将不复存在，而利用公共移动设备充电站成为现实。其给大众带来的意义与 影响非同凡响。 1.1 研究的目的和意义 无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉 在一百多年前就已经由此构想了。他设计在地球和电离层之间建立起 8Hz 左右的 低频共振，再利用环绕地球的电磁波来传输电力，就像无线电通信一样，但后来特 斯拉在 1908 年停止了这项宏大的实验，他所建造的铁塔也因经济困难而被拆除抵 债。 在那以后，人类对无线供电技术的研究一直在继续，尤其在航天领域里，人 们想建立卫星太阳能电站，那么就必须实现高效率的无线供电。进入 21 世纪以 来，无线供电技术开始在民用领域频繁露面，各公司纷纷推出自己的产品

3、。而在科 研领域最广为人知的是 07 年麻省理工作出的成果，利用电磁共振技术，在两米外 点亮的 60W 的灯泡。 2 无线充电可以解决很多问题 。 第一，它可以改变目前 电子产品充电接口不兼容的情况，让用户不再需要携带一大堆充电器和电线，只要 将代充电的设备置于发射器附近，就可以充电了。 第二，目前很多传感器需要无 线充电，比如埋在墙里的传感器，把它拿出来充电是不太可能的，还有一些远程的 监控用途的传感器，一样地需要无线充电技术。 第三，就是目前广泛应用的植入 性医疗器件，如心脏起搏器，每隔七八年病人就需要做手术来更换电池。如果可以 对起搏器进行无线充电，就不需要做危险的手术了。 第四，无线充

4、电技术还可在 市政交通方面有所建树。2010 年 3 月，第一辆无线充电电动车在韩国京畿道果川 市的首尔大公园试运行。这种电动车在铺有电感应带的路面上行驶时可以无线充 电，而不用像传统电动车那样需要通过路轨或车顶电线获得电力。该车被称作网 E 电动车，由植入地面下约 5 cm 处的充电带提供电力驱动。实验表明，无线充 电系统中所使用的磁场对人体健康并无危害，通过使用分割技术，分几个部分提供 电力，所产生的磁场强度被最小化。据介绍， “在线”电动车不需直接与电感应带 接触。这种在线电动车系统运行费用仅为一般电车的 13，非常适合我国仍有电 车运行的城市。 第五，无线充电技术还可以提高设备的安全性

5、，尤其是一些在潮 湿环境中工作的设备，外露的充电接口是潜在的安全隐患。使用无线充电技术，能 量接收端内置于设备中，设备的外表面就可以全封闭了。 最重要的是，从宏观上 看，如今人类对电能的热爱非常强烈，消耗越来越大，乱如麻的电线和污染环境的 电池，带来更多的困挠，无线充电技术是解决这些问题很好的途径。 1.2 国内外 研究现状和发展趋势 无线充电技术目前可通过三种方式实现：电磁感应式利用电 流通过线圈产生磁场实现近程无线供电、磁场共振式利用磁耦合共振效应近程无线 供电、电波辐射式 3 电力转换成电波以辐射传输供电 。 1.2.1 电磁感应方式 电 磁感应式是使用最广的一种方式，其原理类似于分离的

6、空心变压器。飞利浦的电动 牙刷就是此类应用。目前许多公司都在开发这方面的技术。但电磁感应技术的一个 不足就是用以传递能量的变化磁场，会随着两个线圈的距离增加而迅速减小，所以 传输距离非常有限。 目前常见的充电垫也是利用了电磁感应原理，将多个电子产 品，如手机、相机、MP3等放到同一个充电垫上，能进行同时充电，而且无需精 确定位，原因是充电垫内装有密集的小型线圈阵列，能在各个方向上建立磁场。接 收线圈由磁性合金绕以电线制成，它附着于电子设备的充电电池上，充电时置于充 电垫磁场中的接收线圈就会产生感应电流，能量就从发射端传输到接收端。由于充 电垫产生的磁场很弱，所以不会对附近的信用卡、录像带等利用

7、性记录数据的物品 造成不良影响。该解决方案提供商包括英国Splash power、美国wild Charge等公 司。这种接触式无线电力传输方式的优点是制造成本较低、结构简单、技术可靠， 但是传输功率较小、传送距离短，一般只适用于为小型便携式电子设备供电。 1.2.2 电磁耦合共振方式 4 07 年 MIT 的一个无线供电的研究成果使世界为之一叹 ， 其背后的原理就是电磁耦合共振。在 07 年， MIT 的助理教授马林索尔贾希克 Marin Soljacic 和他的研究小组在长达 4年的实验研究中终于获得重大突破。他们 在实验中使用了两个直径为 50cm 的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在

8、 10MHz 产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端 2m 以外的一盏 60W 灯泡， 效率为 45。而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影 响灯泡发光。另外还有采用射频点播发射能量的方法。美国的Powercast，目前 占有射频波段无线能量传输的领先地位。与需要接触的充电垫子不同， Powercast 公司推出的无线供电组件，在 915Mhz 的波段下，可以在一米的范围内给小型电 子设备充电，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。 1.2.3 微波/激光辐射方式 理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小，所以，可利用微波或激光 形式来实现电能的远程传输， 这对于新

9、能源的开发和利用、解决未来能源短缺等 问题也有着重要意义。因此，许多国家都没有放弃这方面的研究。 1968 年，美国 工程师彼得格拉泽提出了空间太阳能发电 Space Solar Power， SSP 的概念，其构想 是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能送回地球。 1979 年，美 国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划，建立“SPS太阳能卫星 基准系统”，SPSSolar Power satellite是太阳能发电卫星， 处在地球约36000km 的静止轨道上，那里太阳的能量约为地球上的 14 倍。 据预测，一个 SPS 所 装载的太阳电池的直流输出功率为I0GW，

10、电池输出的电力通过振荡器变换成微 波电力， 从送电的天线向地球表面以微波 245GHz 形式无线送电。地球上的接 收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收到 5GW 的电力。 目前， SPS 的建设方法、天线的放射特性、微波发送装置的姿态 控制、宇宙空间的微波传播特性、为确保故障时安全的保安系统等都是亟待解决的 技术问题。欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座 10 万千瓦的实验型微波输电装置， 已于 2003 年向当地村庄送电。日本拟于 2020 年建造试验型太空太阳能发电站 SPS2000， 2050 年进入规模运行。 1.2.4 国内的相关研究现状 5 6 国内于此

11、有关的 研究主要是“松耦合变压器技术”领域 ，这个技术主要针对于磁悬浮列车或水下感应充电等方面的应用，无线传能的距离在几毫米到几十毫米之间。 与国外相比， ICPT (感应耦合电能传输)技术在国内还刚刚起步，西安石油学院的李宏在2001 年第 2 期的电气传动上发表了一篇相关的综述性文章。近年中科院院士严陆 光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国 内杂志上发表了几篇文章。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自 2001 年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切 跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰

12、大学波依 斯 ProBoys 教授为首的课题组核心成员 Patrick Aiguo Hu 呼爱国博士进行了深层 次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007 年 2 月， 课题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出 了非接触电能传输装置，该装置能够实现 600 至 1000W 的电能输出，传输效率 为 70，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影 响其供电的稳定性。 目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补 偿电路拓扑等方面，基本上都还处在理论领域进行研究，在应用领域最近两年才有 所突破，但都还停留在实验室

13、阶段。 1.3 设计要求和实现思路任务：设计一个无 线感应的充电装置目标：输入用12V供电，距离35cm，输出5V,功率1W左 右设计思路： 依靠电磁感应和谐振原理，设计的结构如下。 实现思路： 1.设计 频率可调的方波发生器 2.用漆包线绕制线圈。 3.选择稳定、低温漂、低功耗的电 容。 4.选择合适的负载。 根据要求，负载选用 25 欧的功率电阻，但市面上买不 到 25 欧的功率电阻，所以选择 22 欧的功率电阻做负载。 5.设计功率放大电 路。功率放大电路采用 H 桥逆变电路，用低阻抗 MOS 管搭建。 6.收端的整流 部分，消耗要小。整流二极管选用快恢复，低压降的二极管。 、 第二章

14、理论基 础 2.1 系统的模型 本设计的无线充电系统，基于电磁感应原理，利用原、副边的 两个线圈的电磁耦 9 合 ，实现电能的传输。系统的电路图如下。 图 2-1 互感原 理图 L1 为原边线圈电感， L2 为副边线圈电感， R1 为原边电阻， R2 为副边电 阻， RL 为负载电阻， M 为互感。 10 由于原副边线圈之间的漏感较大，故不能忽 略，可以将电路等效为如下的模型 。 图 2-2 等效电路图 Lm 为线圈之间的互 感， L1S 为原边线圈的漏感， L2S 为副边线圈的漏感，其余同上。 设线圈间的耦 合系数为 K， R1 与 L1S 的合阻抗为 Z1， R2 与 L2S 的合阻抗为

15、Z2， Lm 的 阻抗为 Zm。 Z1 j L1S j 1 k L1 (2.1) Z 2 j L2 S j 1 k n 2 L2 j 1 k L1(2.2) Z m j Lm j kL1 (2.3)无线传能的传输效率可表示为P0 U L I L Z 2 RL Z m RL Z RL Z m 2 P U P I P Z 2 RL Z m Z1 Z 2 RL 1 Z 2 RL RL Z 2 RL Z m 2 Z 2 RL Z m Z1 Z 2 RL 2(2.4) U L I L 为负载上的电压和电流， U P I P为电源的电压和电流。 由于线圈之间是间隙耦合， K 值很小，由上式显然可见， 漏感

16、 L1SL2S 很大，使得 Z1Z2 很大，从而使系统的传输效率很低。接下来将探 讨各种参数对传输效率的影响，找出提高系统传输效率的方法。 2.2 参数分析 10 11 12 13 在无线充电系统中，决定充电效率的因素有很多，下面就一一分析 。2.2.1 距离与效率的关系 根据毕奥一萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一 点P处产生的磁感应强11度为:Idl rB 0 4 r3 (2.5)首先计算单个载流圆线圈 轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0,半径为R,载有电流I。如图2.3图2-3在线圈上任取一电流元 Idl ，设电流元到 P 点的矢径为 r ，由于 r 恒与 Idl 垂 直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元 Idl 在 P 点产生的磁感应强度为 0 IdldB 4 r 2 （ 2.6 ）其中， d B 在 r 与中轴所在平面内，并垂直与 r 。显然，线圈上各电 流元在 P 点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把 d B 分成垂直 于轴线的分矢量 dB 和平行与轴线的分矢量 dB ，由于对称关系， dB 相互抵 消， dB 相互加强。有 0