1、12014 年年全全國國大大學學生生電電子子設設計計競競賽賽【本科組本科組】代碼代碼: HA011參賽學校：參賽學校：淮陰師范學院淮陰師范學院學生姓名：學生姓名：張榮榮、包同波、王曉張榮榮、包同波、王曉 2014 年年 8 月月 12 日日2 無線電能傳輸的研究學 生：張榮榮、包同波、王曉指導教師：邵云漣、孫紅兵摘 要：所謂無線電能傳輸（Wireless Power TransmissionWPT）就是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種技術。無線輸電分為:電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式。電能給人類帶來巨大的發展，然而錯綜復雜的輸電線分布在生活的各個角落，給人們帶來極大的不便，因此人類一

2、直有擺脫電線的束縛實現電能無線傳輸的夢想。本文章指出現有的幾種無線電能傳輸的方式，和他們的優點缺點.并且怎么利用這其中的方式，為人類獲取一些可節約利益，和能源的節約。關鍵詞：無線電能；傳輸wireless energy transmission way researchStudents:Zhang rongrong、Bao tongbo、Wang xiaoSupervisor:Shao yunlian、Sun hongbinAbstract:so-called radio can transmission (Wireless Power Transmission-WPT)is the elec

3、tromagnetic field or electromagnetic wave to help energy transfer of a kind of technology. Wireless transmission is divided into: electromagnetic induction type, magnetic resonance type and electromagnetic FuSheShi. Power to the mankind tremendous development, but the complexity of the transmission

4、line distribution in each corners of the life, give people inconvenient, so humans have been out of the shackles of wire realize the dream of electric power wireless transmission. This article points out some existing radio can transmission way, and their advantages disadvantages. And how to use thi

5、s which way, for human gain some can save interests, and energy saving.Key Words: Wireless Power；transmission31 1 發展歷程發展歷程.42 方案方案論證與比較論證與比較.42.1 無線充電方式的選擇.42.1.1 電場耦合方式.52.1.2 電磁感應方式.52.1.3 磁共振方式.52.1.4 無線電波方式.5 2.2 電路圖選擇方案.6 2.2.1 電源的選擇.6 2.2.2 振蕩器的選擇.62.3 處理器的論證與選擇.63 電磁感應傳輸系統的分析計算電磁感應傳輸系統的分析計算.7

6、4 系統設計系統設計.84.1 單元電路設計.84.1.1 振蕩部分的設計 .84.1.2 發射、接收模塊電路的設計.94.2 總體設計.105系統系統測測試試.116 結論結論.12參考文獻.12致謝.13附件：電路實物圖41 1 發展歷程發展歷程19 世紀末被譽為“迎來電力時代的天才”,尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，18561943）在無線電技術何其他電氣方面作出了杰出的貢獻。1881 他年發現了旋轉磁場原理，并用于制造感應電動機；1888 年他發明多相交流傳輸及配電系統；18891890 年制成赫茲振蕩器；1891 年他發明高頻變壓器（特斯拉線圈） ，現仍廣泛用于無線電、電視機

7、及其他電子設備。他曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性，并在 1899 年演示了不用導線采用高頻電流的電動機，但由于效率低和對安全方面的擔憂，無線電力傳輸的技術無突破性進展3。19011905 年在紐約附近的長島建造 Wardenclyffe 塔，是一座復雜的電磁振蕩器，設想它將能夠把電力輸送到世界上任何一個角落，特斯拉利用此塔實現地球與電離層共振。2001 年 5 月，法國國家科學研究中心的皮格努萊特，利用微波無線傳輸電能點亮40m 外一個 200W 的燈泡。其后，2003 年在島上建造的 10kW 試驗型微波輸電裝置，已開始以 2.45GHz 頻率向接近 1km 的格朗巴桑村進行點對點無

8、線供電。2005 年，香港城市大學電子工程學系教授許樹源成功研制出“無線電池充電平臺” ，但其使用時仍然要將產品與充電器接觸。2006 年 10 月，日本展出了無線電力傳輸系統。此系統輸出端電力為 7V、400mA，收發線圈間距為 4mm 時，輸電效率最大為 50%，用于手機快速充電。2007 年 6 月，美國麻省理工學院的物理學助理教授馬林索爾賈希克研究團隊實現了在短距離內的無線電力傳輸。他們給一個直徑 60 厘米的線圈通電，6 英尺（約 1.83 米）之外連接在另一個線圈上的 60 瓦的燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術的原理是“磁耦合共振” 。2008 年 9 月，北

9、美電力研討會發布的論文顯示，他們已經在美國內華達州的雷電實驗室成功地將 800W 電力用無線的方式傳輸到 5m 遠的距離。2009 年 10 月，日本奈良市針對充電式混合動力巴士進行了無線充電實驗。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準供電線圈就能開始充電。2 2 方案論證與比較方案論證與比較2.12.1 無線充電方式的選擇無線充電方式的選擇無線充電方式充電效率使用頻率范圍傳輸距離電場耦合方式無無無電磁感應方式92%22KHz數 mm-數 cm磁共振方式95%13.56MHz數 cm-數 m無線電波方式38%2.45GHz數 m-52.1.1 電場耦合方式電場耦合方式的無

10、線供電技術與“電磁感應方式”及“磁場共振方式”不同，電場耦合方式利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力，具有抗水平錯位能力較強的特點。2.1.2 電磁感應方式 利用電磁感應原理 進行充電的設備，類似于變壓器，在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流給用電設備。 2.1.3 磁共振方式 磁共振方式的原理與聲音的共振原理相同。排列好振動頻率相同的在磁場中的相同振動頻率的線圈，也可從一個向另一個供電。 2.1.4 無線電波方式 類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，接收電路，可以捕

11、捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。小結：一般，利用電磁感應原理的無線供電技術最具現實性，并且現在在電動汽車上有實際應用；電磁感應式非接觸充電系統存在以下三方面的問題： （1）送電距離比較短，如果兩個線圈的橫向偏差較大傳輸效率就會明顯下降。目前來看只能實現傳輸距離很小的范圍，需要考慮很多的散熱問題，比如線圈之間的發熱。（2）耦合的輻射問題，電磁波的耦合會不會存在大的磁場泄漏。電磁感應在線圈之間傳輸電力，如同磁鐵一樣，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影響是個很大問題。（3）線圈之間也是有可能有雜物進入的。雖然磁場共振方式，是現在最被看好、被認6為是將來最有希望

12、廣泛應用于電動汽車的一種方式，但是目前技術上的難點是，小型、高效率化比較難。電磁波送電方式，現在則提出了利用這種技術的“太空太陽能發電技術” ，可以從根本解決問題。設計最難的部分在于安全。因為無線充電系統會發射電磁波能量，有兩大問題，一是長期發射，長時間下會造成能源浪費。二是當充電系統上放的金屬異物，電磁波對其加熱，輕則燒毀裝置，重則發生火災。所以需要有“受電端目標物辨識” ，當正確的目標放置時才送電。經過多方考慮選擇方案二電磁感應的傳電方式。2.22.2 電路圖的選擇方案電路圖的選擇方案 經過實踐，比較了多個電路，最終確定電路圖。2.2.1 電源的選擇 大賽規定除了 15V 直流電源外，不得

13、使用其他電源。2.2.2 振蕩器的選擇方案一：方案一：采用 2M 晶振與集成電路 4069 等組合，完成振蕩電路。方案二：方案二：采用電感和電容并聯，實現 LC 共振。 方案三：采用 555 定時器完成振蕩電路。 方案四：采用 CD4069 完成 RC 可調振蕩電路。鑒于以上對比與分析，本設計采用方案二與方案四，因為電路中用到兩處起振。2.32.3 處理器的論證與選擇（處理器的論證與選擇（LM311LM311）方案一：基于 CD4069 集成塊的振蕩方案。方案二：基于 74LS04 集成塊的振蕩方案。方案三：基于 74LS16 集成塊的振蕩方案。鑒于上述對比與分析，本設計采用方案一。73 3

14、電磁感應傳輸系統的分析計算電磁感應傳輸系統的分析計算利用電磁感應進行短程電力傳輸的摹本原理如圖所示，發射線圈和接收線圈 L2 之間利用磁耦合來傳遞能量。若在線圈 L1 中通以交變電流，電流將在介質中形成一個交變磁場 ，線圈 L2 中產生的感應電勢可供給移動設備或者給電池充電。系統的傳輸效率取決于發射和接收線圈之的耦合系數 k 和品質因數Q。最小損耗因數的計算公式如下：其中，耦合系數 k 又與兩個線圈之間的距離 z，相對大小(D2/D) 目前常見的充電墊也是利用了電磁感應原理，將多個電子產品，如手機、相機、MP3 等放到同個充電摯上，能進行同時充電，而且無需精確定位，原因足充電摯內裝有密集的小型

15、線圈陣列，能在各個方向建立磁場。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設備的充電電池上，充電時置于充電墊磁場中的接收線圈就會產生感應電流，能量就從發射端傳輸到接收端。由于充電墊產生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數據的物品造成不良影響。該解決方案提供商包括英國 Splash power、美國 wiid Charge 等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優點足制造成本較低、結構簡單、技術可靠，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備供電。outompp)(11()(222minkQkQ84 4 系統設計系統設計4.14.1 單元電路設計單元電路

16、設計4.1.1：振蕩部分的設計LC 振蕩電路： 12U 1A406934U 1B406956U 1C4069R1470KR2100RP100KC11000pCD4069 振蕩電路：經實驗得：用 LC 振蕩電路產生高頻振蕩比 CD4069 的效果要好！4.1.2 發射，接收模塊電路設計9 A?DIODEA?DIODEA?DIODEA?DIODEA?RES1A?LEDA?CAPVCC發射和接收線圈都采用直徑 20cm 左右的漆包線繞 10 匝。發射模塊的作用是將直流能量高效率地轉換為射頻功率信號，以便接收電路能夠充分利用能量；接收模塊是在接收到前級的能量后對其進行處理的模塊。為了滿足實際應用的需求

17、，需要將接收到的射頻信號進行整流、濾波、降壓以及穩壓處理，處理之后的直流電壓方可供其他負載使用。該模塊主要包括整流電路以及降壓電路。4.24.2 總體設計總體設計1012U1A406934U1B406956U1C4069R1470KR2100RP100KC11000pA?BATTERYA?CAPA?CAPA?DIODEA?INDUCTOR1A?INDUCTOR1A?RES1A?LEDA?MOSFET P 總體設計框架圖仿真電路：115 系統測試系統測試（1）在距離為 10cm 時，采用可調負載，電壓可以加大，測量輸出電壓,如表 1 所示。 表 1電感 LZ（微 H）距離 L（cm）電容 C（微

18、 F）頻率 F(HZ)電壓（V）120k4165k 1454100.01202k 20（2）在距離為 12cm 時，串聯兩個發光二極管，測量輸出電壓，如表 2 所示。 表 2電感 LZ（微 H）距離 L（cm）電容 C（微 F）頻率 F(HZ)電壓（V）260k2760k1054120.011.29M16(3) 效率輸入輸出距離（cm）電流電壓頻率電壓電流效率（%）100.12mA15V120HZ10.11v0.9mA0.5102.9mA10.15v99HZ15v0.2A0.9100.19A15v99HZ2.6v0.01A0.96 結論本系統實現了題目的基本部分以及發揮部分的部分要求，經過測試，實現了電能的無線傳輸，傳輸距離為 10cm，輸入直流電壓 U1=15V 時，接收端輸出直流電流 I2=0.5A，輸出直流電壓 U2 8V，輸入直流電壓 U1=15V，輸入直流電流不大于 1A。發射與接受線圈為空心線圈，線圈外徑均 20+/-2 cm；發射與接收線圈間介質為空氣。 I2 為連續電流，制作時12考慮了測試需要，合理設置了測