畢業(yè)論文-簡易無線充電裝置研制

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　無線充電是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)。顧名思義，無線充電是指具有電池的裝置透過無線感應(yīng)的方式取得電力而進(jìn)行充電[1]。</p><p>　　今年，無線充電技術(shù)經(jīng)過數(shù)年的推廣與演進(jìn)后開始受到各界矚目。其方便性可以讓消費(fèi)者愿意支付額外的費(fèi)用購買無線充電相關(guān)產(chǎn)品；由于這產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)新穎且各廠商有自己對技術(shù)的表述，

2、所以無線充電、感應(yīng)式電力、非接觸充電、無接點(diǎn)充電都是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數(shù)米都是一樣是無線，供電端與受電端交互作用就稱感應(yīng)，所以無線充電是廣義的名詞沒有一定的規(guī)格。</p><p>　　無線充電技術(shù)的優(yōu)勢在于便捷性和通用性，可使得多種設(shè)備使用一臺(tái)充電基站，也許在不久的將來，各種電源適配器剪不斷理還亂的情況將不復(fù)存在，而利用公共移動(dòng)設(shè)備充電站成為現(xiàn)實(shí)。其給大眾帶來的意義與影響非同凡響。</p>

3、<p>　　1.1研究的目的和意義</p><p>　　無線供電的設(shè)想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。他設(shè)計(jì)在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的電磁波來傳輸電力，就像無線電通信一樣，但后來特斯拉在1908年停止了這項(xiàng)宏大的實(shí)驗(yàn)，他所建造的鐵塔也因經(jīng)濟(jì)困難而被拆除抵債。</p><p>　　在那以后，人類對無線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)

4、，尤其在航天領(lǐng)域里，人們想建立衛(wèi)星太陽能電站，那么就必須實(shí)現(xiàn)高效率的無線供電。進(jìn)入21世紀(jì)以來，無線供電技術(shù)開始在民用領(lǐng)域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。而在科研領(lǐng)域最廣為人知的是07年麻省理工作出的成果，利用電磁共振技術(shù)，在兩米外點(diǎn)亮的60W的燈泡。</p><p>　　無線充電可以解決很多問題[2]。</p><p>　　第一，它可以改變目前電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況，讓用戶不再

5、需要攜帶一大堆充電器和電線，只要將代充電的設(shè)備置于發(fā)射器附近，就可以充電了。</p><p>　　第二，目前很多傳感器需要無線充電，比如埋在墻里的傳感器，把它拿出來充電是不太可能的，還有一些遠(yuǎn)程的監(jiān)控用途的傳感器，一樣地需要無線充電技術(shù)。</p><p>　　第三，就是目前廣泛應(yīng)用的植入性醫(yī)療器件，如心臟起搏器，每隔七八年病人就需要做手術(shù)來更換電池。如果可以對起搏器進(jìn)行無線充電，就不需要做

6、危險(xiǎn)的手術(shù)了。</p><p>　　第四，無線充電技術(shù)還可在市政交通方面有所建樹。2010年3月，第一輛無線充電電動(dòng)車在韓國京畿道果川市的首爾大公園試運(yùn)行。這種電動(dòng)車在鋪有電感應(yīng)帶的路面上行駛時(shí)可以無線充電，而不用像傳統(tǒng)電動(dòng)車那樣需要通過路軌或車頂電線獲得電力。該車被稱作網(wǎng)E電動(dòng)車，由植入地面下約5 cm處的充電帶提供電力驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，無線充電系統(tǒng)中所使用的磁場對人體健康并無危害，通過使用分割技術(shù)，分幾個(gè)部分提

7、供電力，所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度被最小化。據(jù)介紹，“在線”電動(dòng)車不需直接與電感應(yīng)帶接觸。這種在線電動(dòng)車系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為一般電車的1／3，非常適合我國仍有電車運(yùn)行的城市。</p><p>　　第五，無線充電技術(shù)還可以提高設(shè)備的安全性，尤其是一些在潮濕環(huán)境中工作的設(shè)備，外露的充電接口是潛在的安全隱患。使用無線充電技術(shù)，能量接收端內(nèi)置于設(shè)備中，設(shè)備的外表面就可以全封閉了。</p><p>　　最重要的是

8、，從宏觀上看，如今人類對電能的熱愛非常強(qiáng)烈，消耗越來越大，亂如麻的電線和污染環(huán)境的電池，帶來更多的困撓，無線充電技術(shù)是解決這些問題很好的途徑。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　無線充電技術(shù)目前可通過三種方式實(shí)現(xiàn)：電磁感應(yīng)式(利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場實(shí)現(xiàn)近程無線供電)、磁場共振式(利用磁耦合共振效應(yīng)近程無線供電)、電波輻射式(電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供

9、電) [3]。</p><p>　　1.2.1 電磁感應(yīng)方式</p><p>　　電磁感應(yīng)式是使用最廣的一種方式，其原理類似于分離的空心變壓器。飛利浦的電動(dòng)牙刷就是此類應(yīng)用。目前許多公司都在開發(fā)這方面的技術(shù)。但電磁感應(yīng)技術(shù)的一個(gè)不足就是用以傳遞能量的變化磁場，會(huì)隨著兩個(gè)線圈的距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。</p><p>　　目前常見的充電墊也是利用了電

10、磁感應(yīng)原理，將多個(gè)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、相機(jī)、MP3等放到同一個(gè)充電墊上，能進(jìn)行同時(shí)充電，而且無需精確定位，原因是充電墊內(nèi)裝有密集的小型線圈陣列，能在各個(gè)方向上建立磁場。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設(shè)備的充電電池上，充電時(shí)置于充電墊磁場中的接收線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，能量就從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。由于充電墊產(chǎn)生的磁場很弱，所以不會(huì)對附近的信用卡、錄像帶等利用性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不良影響。該解決方案提供商包括英國Splash po

11、wer、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設(shè)備供電。</p><p>　　1.2.2電磁耦合共振方式</p><p>　　07年MIT的一個(gè)無線供電的研究成果使世界為之一嘆[4]，其背后的原理就是電磁耦合共振。</p><p>　　在07年，

12、MIT的助理教授馬林·索爾賈希克(Marin Soljacic)和他的研究小組在長達(dá)4年的實(shí)驗(yàn)研究中終于獲得重大突破。他們在實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡，效率為45%。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會(huì)影響燈泡發(fā)光。</p><p>　　另外還有采用射頻點(diǎn)播發(fā)射能量的方

13、法。</p><p>　　美國的Powercast，目前占有射頻波段無線能量傳輸?shù)念I(lǐng)先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內(nèi)給小型電子設(shè)備充電，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。</p><p>　　1.2.3微波/激光輻射方式</p><p>　　理論上，無線電波波長越短，其定向性越好

14、，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸， 這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。</p><p>　　1968年，美國工程師彼得格拉澤提出了空間太陽能發(fā)電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能送回地球。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽

15、能計(jì)劃，建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)” ， SPS(Solar Power satellite)是太陽能發(fā)電衛(wèi)星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1．4倍。</p><p>　　據(jù)預(yù)測，一個(gè)SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過振蕩器變換成微波電力， 從送電的天線向地球表面以微波(2．45GHz)形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、整流

16、二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5GW的電力。</p><p>　　目前，SPS的建設(shè)方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時(shí)安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。</p>

17、<p>　　1.2.4國內(nèi)的相關(guān)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)于此有關(guān)的研究主要是“松耦合變壓器技術(shù)”領(lǐng)域[5] [6]，這個(gè)技術(shù)主要針對于磁懸浮列車或水下感應(yīng)充電等方面的應(yīng)用，無線傳能的距離在幾毫米到幾十毫米之間。</p><p>　　與國外相比，ICPT（感應(yīng)耦合電能傳輸）技術(shù)在國內(nèi)還剛剛起步，西安石油學(xué)院的李宏在2001年第2期的《電氣傳動(dòng)》上發(fā)表了一篇相關(guān)的綜述性文

18、章。近年中科院院士嚴(yán)陸光和西安交通大學(xué)的王兆安等人也開始對該新型電能接入技術(shù)進(jìn)行了研究，并在國內(nèi)雜志上發(fā)表了幾篇文章。重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組自2001年便開始了對國內(nèi)外非接觸式電能接入技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論與實(shí)用技術(shù)的密切跟蹤和研究，并與國際上在該領(lǐng)域研發(fā)工作處于領(lǐng)先水平的新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯(Pro．Boys)教授為首的課題組核心成員Patrick Aiguo Hu(呼愛國)博士進(jìn)行了深層次的學(xué)術(shù)交流與科技合作，在

19、理論和技術(shù)成果上有了較大的突破。2007年2月，課題組攻克了非接觸感應(yīng)供電的關(guān)鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，并研制出了非接觸電能傳輸裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)600至1000W的電能輸出，傳輸效率為70％，并且能夠向多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電，即使用電設(shè)備頻繁增減，也不會(huì)影響其供電的穩(wěn)定性。</p><p>　　目前國內(nèi)主要的研究方向集中在系統(tǒng)諧振頻率及原副邊的補(bǔ)償電路拓?fù)涞确矫?，基本上都還處在理論領(lǐng)域進(jìn)行研究，在應(yīng)用領(lǐng)

20、域最近兩年才有所突破，但都還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)思路</p><p>　　任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)無線感應(yīng)的充電裝置</p><p>　　目標(biāo)：輸入用12V供電，距離3~5cm，輸出5V，功率1W左右</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路：</b></p><p>　

21、　依靠電磁感應(yīng)和諧振原理，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如下。</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)思路：</b></p><p>　　1.設(shè)計(jì)頻率可調(diào)的方波發(fā)生器</p><p>　　2.用漆包線繞制線圈。</p><p>　　3.選擇穩(wěn)定、低溫漂、低功耗的電容。</p><p>　　4.選擇合適的負(fù)載。</p&

22、gt;<p>　　根據(jù)要求，負(fù)載選用25歐的功率電阻，但市面上買不到25歐的功率電阻，所以選擇22歐的功率電阻做負(fù)載。</p><p>　　5.設(shè)計(jì)功率放大電路。功率放大電路采用H橋逆變電路，用低阻抗MOS管搭建。</p><p>　　6.收端的整流部分，消耗要小。整流二極管選用快恢復(fù)，低壓降的二極管。、</p><p><b>　　第二章

23、理論基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)的模型</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)，基于電磁感應(yīng)原理，利用原、副邊的兩個(gè)線圈的電磁耦合[9]，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。系統(tǒng)的電路圖如下。</p><p>　　圖2-1 互感原理圖</p><p>　　L1為原邊線圈電感，L2為副邊線圈電感，

24、R1為原邊電阻，R2為副邊電阻，RL為負(fù)載電阻，M為互感。</p><p>　　由于原副邊線圈之間的漏感較大，故不能忽略，可以將電路等效為如下的模型[10]。</p><p>　　圖2-2 等效電路圖</p><p>　　Lm為線圈之間的互感，L1S為原邊線圈的漏感，L2S為副邊線圈的漏感，其余同上。</p><p>　　設(shè)線圈間的耦合系數(shù)為

25、K，R1與L1S的合阻抗為Z1，R2與L2S的合阻抗為Z2，Lm的阻抗為Zm。</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p><b>　　（2.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　無線傳能的傳輸效率可表示為<

26、/p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為負(fù)載上的電壓和電流，為電源的電壓和電流。</p><p>　　由于線圈之間是間隙耦合，K值很小，由上式顯然可見，漏感L1S,L2S很大，使得Z1,Z2很大，從而使系統(tǒng)的傳輸效率很低。接下來將探討各種參數(shù)對傳輸效率的影響，找出提高系統(tǒng)傳輸效率的方法。</p><p

27、><b>　　2.2參數(shù)分析</b></p><p>　　在無線充電系統(tǒng)中，決定充電效率的因素有很多，下面就一一分析[10] [11] [12] [13]。</p><p>　　2.2.1距離與效率的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，穩(wěn)恒電流通過導(dǎo)線時(shí)在導(dǎo)線外一點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[11]：</p><

28、;p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　首先計(jì)算單個(gè)載流圓線圈軸線上的磁場。設(shè)圓線圈的中心為0，半徑為R，載有電流I。如圖2.3</p><p><b>　　圖2-3 </b></p><p>　　在線圈上任取一電流元，設(shè)電流元到P點(diǎn)的矢徑為，由于恒與垂直，由畢奧一薩伐爾定律知，電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁

29、感應(yīng)強(qiáng)度為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中，在與中軸所在平面內(nèi)，并垂直與。顯然，線圈上各電流元在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是各不相同的，因此，必須把分成垂直于軸線的分矢量和平行與軸線的分矢量，由于對稱關(guān)系，相互抵消，相互加強(qiáng)。有</p><p><b>　?。?.7）</b><

30、;/p><p>　　由（2.7）式可知，線圈在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場，與P點(diǎn)到線圈的距離的三次方成反比，與線圈的半徑成正比。即有如下關(guān)系</p><p>　　∝ （2.8）</p><p><b>　　因?yàn)榇磐浚?lt;/b></p><p>　　又上面幾個(gè)式子可以看出，dB與互感M成一次正比關(guān)系。&l

31、t;/p><p>　　又因?yàn)轳詈舷禂?shù)，可以得出 （2.9）</p><p>　　由此式可知，要提高無線傳能的效率，得要增大耦合線圈的半徑，以及減小線圈之間的距離。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是直徑為一毫米的漆包線繞制的線圈，直徑8.5cm，匝數(shù)N=10，L1=21.46uH，L2=21.57uH，，R1=630mΩ，R2=678mΩ。

32、 </p><p>　　下面的數(shù)據(jù)和圖標(biāo)為實(shí)驗(yàn)所得的，線圈間的耦合系數(shù)與距離的關(guān)系。</p><p>　　測試方法：將初級線圈接入電感表，次級線圈兩端用導(dǎo)線接在一起。如下圖</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　兩線圈正對，

33、移動(dòng)次級線圈，記錄在不同的距離L下，初級線圈的電感值，用初級線圈的原電感值減去有次級線圈影響時(shí)的電感值，即是此距離下兩個(gè)線圈之間的互感。</p><p>　　測試頻率=180KHz，測試電壓Vp=1V。</p><p>　　表2-1 距離與互感測試</p><p>　　圖2-5 距離與互感的關(guān)系曲線</p><p>　　實(shí)驗(yàn)符合上述理論關(guān)系。

34、</p><p><b>　　2.2.2補(bǔ)償結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　單邊補(bǔ)償分析</b></p><p>　　由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統(tǒng)的效率，需要加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態(tài)[10] [12]。</p><p>　　電路的補(bǔ)償有四

35、種結(jié)構(gòu)，分別是初級串聯(lián)補(bǔ)償（PS），初級并聯(lián)補(bǔ)償(PP)，次級串聯(lián)補(bǔ)償(SS)，次級并聯(lián)補(bǔ)償(SP)。</p><p>　　圖2-6初級串聯(lián)補(bǔ)償PS 等效電路圖</p><p>　　圖2-7初級并聯(lián)補(bǔ)償PP 等效電路圖</p><p>　　圖2-8次級串聯(lián)補(bǔ)償SS 等效電路圖</p><p>　　圖2-9次級并聯(lián)補(bǔ)償SP 等效電路圖</

36、p><p>　　各種補(bǔ)償就是在線圈兩端加入合適大小的電容。設(shè)系統(tǒng)的工作頻率ω不變，初級串聯(lián)補(bǔ)償（PS）等效電路如圖2.5所示，C1為加在原邊的補(bǔ)償電容。在這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下，阻抗Z1,Z2,Zm可表示為</p><p>　?。?.10） （2.11） （2.12）</p><p>　　將2.10，2.11，2.1

37、2帶入式2.4，可得</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　分析此式可知，當(dāng)時(shí)，λ取得最大值，即系統(tǒng)的等量傳輸效率最高。所以，在初級串聯(lián)補(bǔ)償下，要使系統(tǒng)的效率最高，初級串聯(lián)補(bǔ)償電容應(yīng)取。</p><p>　　以同樣的方法，對其他三種補(bǔ)償進(jìn)行分析，分別可以得到這三種補(bǔ)償?shù)淖罴央娙葸x取值。</p>&l

38、t;p>　　初級并聯(lián)補(bǔ)償（PP），</p><p>　　次級串聯(lián)補(bǔ)償（SS），</p><p>　　次級并聯(lián)補(bǔ)償（SP），</p><p>　　當(dāng)采用初級串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容與漏感發(fā)生諧振，發(fā)生諧振時(shí)Z1為零，消除了在阻抗Z1上要消耗的大量無功功率，從而提高了初級系統(tǒng)的功率因數(shù)，使初級可以發(fā)射較大線圈。</p><p>　　采用初級并聯(lián)

39、補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容與漏感并聯(lián)諧振，有，也就是，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，導(dǎo)納為零，阻抗無窮大。實(shí)際上，因?yàn)榛ジ械拇嬖?，能量?huì)被負(fù)載消耗掉，而電源會(huì)同時(shí)為LC電路補(bǔ)充能量，但因?yàn)榫€圈見的互感比較小，所以這種方式的功率因數(shù)，比較串聯(lián)補(bǔ)償要低很多，不能發(fā)射很大的功率。</p><p>　　綜上考慮，初級線圈采用串聯(lián)補(bǔ)償為佳。</p><p><b>　　雙邊補(bǔ)償分析</b></p&

40、gt;<p>　　由于系統(tǒng)的初級，次級線圈都有漏感的存在，所以對雙邊同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)有很好的補(bǔ)償效果，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸效率。</p><p>　　四種雙邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如下圖。</p><p>　　圖2-10 初級串聯(lián)，次級串聯(lián)PSSS</p><p>　　圖2-11初級串聯(lián)，次級并聯(lián)PSSP</p><p>　　圖2-12初級

41、并聯(lián)，次級串聯(lián)PPSS</p><p>　　圖2-13初級并聯(lián)，次級并聯(lián)PPSP</p><p>　　當(dāng)采用雙邊補(bǔ)償時(shí)，次級補(bǔ)償?shù)募尤霑?huì)對初級補(bǔ)償參數(shù)的確定產(chǎn)生影響，根據(jù)上文的阻抗公式與分析方法，可以得出四種補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)。</p><p><b>　　（2.14）</b></p><p><b>　?。?.1

42、5）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p><b>　　（2.17）</b></p><p>　　由上面的公式可得出，諧振時(shí)，使系統(tǒng)的效率最大，初級，次級應(yīng)選擇的電容值，如下表</p><p>　　表2.2 四種補(bǔ)償?shù)碾娙葸x擇公式</p>

43、<p>　　由此表可以看出，當(dāng)線圈間的距離增大時(shí)，線圈的漏感會(huì)增大，那么系統(tǒng)的諧振頻率就會(huì)降低。</p><p>　　2.2.3負(fù)載對傳輸效率的影響</p><p>　　上一節(jié)討論了四種不同的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在諧振頻率下的效率公式。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，（2.14）到（2.17）式可以進(jìn)一步簡化為如下形式。</p><p>　　采用初級串聯(lián)補(bǔ)償，次級串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)<

44、/p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　采用初級串聯(lián)補(bǔ)償，次級并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　采用初級并聯(lián)，次級串聯(lián)時(shí)補(bǔ)償時(shí)</p><p><b>　　（2.20）</b><

45、;/p><p>　　采用初級并聯(lián)，次級并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)</p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　根據(jù)上面的分析，可知初級串聯(lián)補(bǔ)償，比初級并聯(lián)補(bǔ)償傳輸效率高，所以下面只考慮初級串聯(lián)/次級串聯(lián)PSSS，和初級串聯(lián)/次級并聯(lián)PSSP兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。對兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率公式，用matlab仿真，如下。</p><p

46、>　　當(dāng)距離L=0cm時(shí)，互感系數(shù)k=0.33</p><p>　　圖2-14 K=0.33時(shí)，效率隨負(fù)載的變化</p><p>　　當(dāng)距離L=1cm時(shí)，互感系數(shù)k=0.12</p><p>　　圖2-15 K=0.12時(shí)，效率隨負(fù)載的變化</p><p>　　當(dāng)距離L=2cm時(shí)，互感系數(shù)K=0.051</p><

47、p>　　圖2-16 K=0.051時(shí)，效率隨負(fù)載的變化</p><p>　　由這些仿真結(jié)果可以看出，隨著距離的增加，兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率都在降低，但共同的特點(diǎn)是，負(fù)載RL小于25歐時(shí)，次級串聯(lián)補(bǔ)償效率較高，RL大于25歐時(shí)，次級并聯(lián)補(bǔ)償效率較高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是22歐的負(fù)載電阻，所以選用初級串聯(lián)，次級串聯(lián)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，效果會(huì)略好于初級串聯(lián)-次級并聯(lián)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。<

48、;/p><p>　　2.2.4線圈的相對位置</p><p>　　線圈的相對位置，極大地影響著線圈之間的互感大小，實(shí)驗(yàn)如下。</p><p>　　1.線圈之間的軸心偏移與互感的關(guān)系</p><p>　　圖2-17 軸心偏移示意圖</p><p>　　表2-3 軸心偏移與互感關(guān)系測試</p><p>

49、　　圖2-18 軸心偏移與互感關(guān)系曲線</p><p>　　將測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖，如上圖。</p><p>　　根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可以得出這樣的結(jié)論：線圈間的互感與軸心間的偏移距離成反比，也就是說，要達(dá)到最大的無線充電效率，就要使兩個(gè)線圈之間的軸心偏移為0。</p><p>　　2.線圈之間的軸心偏移與互感的關(guān)系</p><p>　　測試方法：將線

50、圈擺放成一定角度，測試線圈間的互感</p><p>　　圖2-19 線圈夾角示意圖</p><p>　　表2-4 旋轉(zhuǎn)角度與互感測試</p><p>　　圖2-20 線圈夾角與互感關(guān)系</p><p>　　根據(jù)上面的數(shù)據(jù)與圖表可以得出這樣的結(jié)論：在0-90°范圍內(nèi)，線圈的互感與線圈間的夾角成反比。所以如果要達(dá)到最大的無線充電效率，兩

51、個(gè)線圈要平行放置。</p><p><b>　　2.2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　以上四個(gè)小結(jié)分別討論了影響無線充電裝置傳輸效率的因素，它們是：相對位置、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、距離、負(fù)載、頻率。根據(jù)以上的理論分析，可以得出如下結(jié)論：</p><p>　　使無線充電裝置效率傳輸最大化的條件：</p><p>　　兩線圈要

52、平行放置，軸心在一條線上。</p><p>　　根據(jù)負(fù)載的大小，選擇合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。使系統(tǒng)要工作在諧振頻率上。本設(shè)計(jì)的負(fù)載為22歐功率電阻，選用初級串聯(lián)-初級串聯(lián)或初級串聯(lián)-次級并聯(lián)均可。</p><p>　　傳輸效率會(huì)隨著距離的增大而減小，距離與效率成倒數(shù)關(guān)系。</p><p>　　系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)隨著距離的增加而減小，所以要根據(jù)距離調(diào)整頻率。</p>

53、<p>　　第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1方波發(fā)生器</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的方波發(fā)生器采用555芯片實(shí)現(xiàn)[14]。頻率范圍，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，可以改變輸出的頻率，并使輸出波形的占空比為50%。</p><p>　　NE555芯片的引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3

54、-1 555芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-2 方波發(fā)生器原理圖</p><p><b>　　引腳功能 </b></p><p>　　1-地 2-觸發(fā)</p><p>　　3-輸出 4-復(fù)位</p><p>　　5-控制電壓 6-門限</p>

55、<p>　　7-放電 8-電源</p><p>　　方波發(fā)生器的電路與工作原理</p><p>　　電路上電時(shí)，電源通過R1,R2支路給電容C1充電，此時(shí)3腳輸出高電平，當(dāng)C1的電位充至2/3Vcc時(shí)，555內(nèi)部比較器使RS觸發(fā)器輸出低電平，通過與非門打開放電回路，電容放電，此時(shí)輸出低電平，當(dāng)電容電位放到1/3Vcc時(shí)，比較器使RS觸發(fā)器輸出高電平，放電回路關(guān)閉，電

56、容充電，輸出高電平。實(shí)際電路的充放電波形如下圖。</p><p>　　圖3-3 方波發(fā)生器輸出波形與充電波形</p><p>　　單個(gè)周期內(nèi)，電路的充電時(shí)間</p><p><b>　　放電時(shí)間</b></p><p><b>　　輸出的方波頻率為</b></p><p>　

57、　理論上，在保持50%占空比的條件下，R2=0,R3=5K時(shí)，電路輸出的方波頻率最高</p><p>　　R2=45K,R3=50K時(shí)，輸出頻率最小</p><p>　　但實(shí)際上，輸出頻率最大為220KHz，其主要原因是二極管在高頻下有等效阻抗，降低了充放電的速度。</p><p>　　圖3-4 方波發(fā)生器實(shí)際電路圖</p><p>　　3.

58、2 功率放大電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)的功率放大電路，采用MOS管的H橋?qū)崿F(xiàn)。其功能是可以將+12V直流電壓逆變?yōu)?#177;12V的交流電壓。實(shí)際的設(shè)計(jì)最大可以輸出12W的功率[15]。</p><p><b>　　H橋逆變電路的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　右圖為原理圖</b></p>

59、<p>　　圖3-5 H橋逆變電路</p><p>　　H橋的工作原理：如圖，四個(gè)MOS開關(guān)管組成此H橋電路。當(dāng)橋臂1和4導(dǎo)通時(shí)，2和3截至，電流由橋臂1經(jīng)LC電路到橋臂4。當(dāng)橋臂2和3導(dǎo)通時(shí)，橋臂1和4同時(shí)截至，電流經(jīng)由橋臂2、LC到橋臂3。如此循環(huán)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供給LC電路發(fā)射。</p><p><b>　　器件的選擇：</b></p&g

60、t;<p>　　在H橋逆變電路中，對MOS管的選擇十分關(guān)鍵，MOS管的參數(shù)將影響系統(tǒng)的傳輸效率。對于本設(shè)計(jì)，好的MOS管要滿足如下條件：</p><p>　　1.Vgs正向?qū)ǎ簿褪荖溝道的MOS管。</p><p><b>　　2.導(dǎo)通電阻小</b></p><p><b>　　3.開關(guān)延時(shí)短</b>&l

61、t;/p><p>　　以下是常用N-channel MOS管的比較</p><p>　　表3-1 幾種MOS管的比較</p><p>　　經(jīng)比較和篩選，及考慮成本因素，最終選用了IRF3205，作為H橋的開關(guān)器件。</p><p>　　IRF3205是IR公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款低阻抗，快速開關(guān)管。其主要性能如下[16]。</p><

62、;p>　　1.導(dǎo)通電阻 8豪歐</p><p>　　2.工作范圍-55到175攝氏度</p><p>　　3.極快的開關(guān)速度：開延時(shí)14nS,上升時(shí)間101nS,關(guān)延時(shí)50nS,下降時(shí)間65nS</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如果僅僅用前端電路產(chǎn)生的方波驅(qū)動(dòng)H橋的開關(guān)管，會(huì)

63、出現(xiàn)以下問題：當(dāng)高端橋臂導(dǎo)通時(shí)（1或2橋臂），由于負(fù)載的存在，S極的電位將被抬升與G相同，那么此時(shí)Vgs=0，導(dǎo)致高端橋臂不能持續(xù)導(dǎo)通，所以需要加入驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)芯片IR2110[17]</p><p>　　驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是IR2110，其主要參數(shù)如下</p><p>　　1.最高耐壓500V</p><p>　　2.G

64、級驅(qū)動(dòng)10-20V</p><p>　　3.驅(qū)動(dòng)保護(hù)，防止同側(cè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而短路。</p><p>　　4.邏輯電平范圍3.3V-20V</p><p>　　圖3-6 H橋的驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路工作過程：</b></p><p>　　方波發(fā)生其產(chǎn)生的方波電流，輸出后分成兩

65、路，一路送給第一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，作為邏輯電平輸入，另一路經(jīng)過反相器CD4069反相后，輸入到第二個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，作為邏輯電平輸入。兩路信號(hào)一正一反，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片交替導(dǎo)通H橋的兩路橋臂。完成直流到交流的逆變。</p><p><b>　　實(shí)際效果圖：</b></p><p>　　圖3-7 H橋逆變電路的輸出波形（左圖為雙端波形，右圖為單端波形）</p><

66、p>　　圖3-8 驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形 圖3-9 線圈發(fā)射波形</p><p><b>　　3.3接收端電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的接收端電路設(shè)計(jì)原理圖如下</p><p>　　圖3-9 接收端電路圖</p><p>　　1.LC采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)。</p>

67、<p>　　2.補(bǔ)償電容C8選用333的聚苯電容，這種電容耐壓高，容值穩(wěn)定。</p><p>　　3.因?yàn)橄到y(tǒng)工作在180K左右的頻率上，最大電流可達(dá)750mA，所以對整流二極管的要求是，快恢復(fù)，較高的電流上限</p><p>　　綜合考慮，選擇1N5819最為合適[18]。</p><p>　　4.C9選用的是47uF的電接電容，用途是濾波。<

68、/p><p>　　5.負(fù)載RL為22歐5W的水泥電阻。</p><p>　　圖3-10 發(fā)射與接收波形（接收波形為整流之前的波形）</p><p>　　圖3-11 發(fā)射與接收波形（接收波形為接收線圈上的波形）</p><p>　　第四章 裝置的實(shí)際性能</p><p>　　根據(jù)上文的分析，可以確定無線充電的效率與一下五個(gè)因

69、素有關(guān)：系統(tǒng)的頻率，負(fù)載的大小，線圈之間的距離，初次級補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，線圈間相對位置。</p><p>　　以下就是針對實(shí)際裝置的相關(guān)參量測試。</p><p>　　4.1實(shí)際裝置的效率與線圈距離的關(guān)系測試</p><p><b>　?。ㄘ?fù)載不變）</b></p><p>　　負(fù)載電阻RL=22歐，測試距離范圍0-7cm。&l

70、t;/p><p>　　1.采用初級串聯(lián)，次級串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)</p><p>　　距離與效率的關(guān)系如下圖。</p><p>　　圖4-1 串串補(bǔ)償距離與效率的關(guān)系</p><p>　　可以看出隨著距離的增加，裝置的傳輸效率迅速變小，符合理論上的分析。</p><p>　　下圖為負(fù)載接受功率與距離的關(guān)系。</p>&

71、lt;p>　　圖4-2 串串補(bǔ)償距離與負(fù)載功率的關(guān)系</p><p>　　由上圖可知，裝置最大輸出功率9.3W，距離為1cm。當(dāng)距離為3.5cm時(shí)，輸出功率為1W。滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2.采用初級串聯(lián)，次級并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)</p><p>　　距離與效率的關(guān)系如下圖。</p><p>　　圖4-3 串并補(bǔ)償距離與傳輸效率的關(guān)系

72、</p><p>　　由圖可以看出，串并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率，在距離變化時(shí)，呈現(xiàn)與串串結(jié)構(gòu)相似的衰減趨勢。</p><p>　　串并補(bǔ)償距離與負(fù)載功率的關(guān)系。</p><p>　　圖4-4 串并補(bǔ)償距離與負(fù)載功率的關(guān)系</p><p>　　由圖可知，串并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的最大負(fù)載功率為8.5W，距離是0.7cm。當(dāng)距離為3cm時(shí)，負(fù)載功率為1W，達(dá)

73、到設(shè)計(jì)指標(biāo)。與串串補(bǔ)償比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，在完成本裝置設(shè)計(jì)的目標(biāo)上，串串補(bǔ)償結(jié)構(gòu)要優(yōu)于串并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.2實(shí)際裝置效率與負(fù)載的關(guān)系測試</p><p><b>　?。ň嚯x不變）</b></p><p>　　距離L=2.5cm，負(fù)載范圍8~51歐，實(shí)際裝置的兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)帶負(fù)載能力的比較。</p><p&g

74、t;　　圖4-5 2.5cm 兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)帶負(fù)載能力比較</p><p>　　兩曲線的交點(diǎn)在RL=31歐處。由此圖可以看出，負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，串-串補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的傳輸效率隨負(fù)載的增大而減小，串并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率隨負(fù)載的增大而增大。</p><p>　　4.3實(shí)際裝置的諧振頻率隨距離的變化</p><p><b>　　（負(fù)載不變） </b><

75、;/p><p>　　負(fù)載為RL=22歐，下圖為兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，諧振頻率隨距離的變化曲線。</p><p>　　圖4-6 兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)諧振頻率隨距離的變化</p><p>　　由圖可知，兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的諧振頻率，都隨距離的增大而減小，在L=3.5cm時(shí)，諧振頻率fo均在180K左右。</p><p><b>　　第五章 總結(jié)</b&g