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电子竞赛最新版

2014年全国大学生电子设计竞赛

【本科组】

代码：

HA011

参赛学校：

淮阴师范学院

学生姓名：

张荣荣、包同波、王晓

2014年8月12日

无线电能传输的研究

学生：

张荣荣、包同波、王晓

指导教师：

邵云涟、孙红兵

摘要：

所谓无线电能传输（WirelessPowerTransmissioWPT）就是借助于

电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。

无线输电分为：

电磁感应式、电磁共

振式和电磁辐射式。

电能给人类带来巨大的发展，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，给人们带来极大的不便，因此人类一直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。

本文章指出现有的几种无线电能传输的方式，和他们的优点缺点•并且怎么利用这其中的方式，为人类获取一些可节约利益，和能源的节约。

关键词：

无线电能；传输

wirelessenergytransmissionwayresearch

Students:

ZhangrongrongBaotongbo、Wangxiao

Supervisor:

ShaoyunlianSunhongbin

Abstract:

so-calledradiocantransmission（WirelessPowerTransmission-WPT）istheelectromagneticfieldorelectromagneticwavetohelpenergytransferofakindoftechnology.Wirelesstransmissionisdividedinto:

electromagneticinductiontype,magneticresonancetypeandelectromagneticFuSheShi.Powertothemankindtremendousdevelopment,butthecomplexityofthetransmissionlinedistributionineachcornersofthelife,givepeopleinconvenient,sohumanshavebeenoutoftheshacklesofwirerealizethedreamofelectricpowerwirelesstransmission.Thisarticlepointsoutsomeexistingradiocantransmissionway,andtheiradvantagesdisadvantages.Andhowtousethiswhichway,forhumangainsomecansaveinterests,andenergysaving.

KeyWords：

WirelessPower；transmission

1发展历程4

2方案论证与比较4

2.1无线充电方式的选择4

2.1.1电场耦合方式5

2.1.2电磁感应方式5

2.1.3磁共振方式5

2.1.4无线电波方式5

2.2电路图选择方案6

2.2.1电源的选择6

2.2.2振荡器的选择6

2.3处理器的论证与选择6

3电磁感应传输系统的分析计算7

4系统设计8

4.1单元电路设计8

4.1.1振荡部分的设计8

4.1.2发射、接收模块电路的设计9

4.2总体设计10

5系统测试11

6结论12

参考文献12

致谢13

附件：

电路实物图

1发展历程

19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”，尼古拉•特斯拉（NikolaTesla,1856—1943）在无线电技术何其他电气方面作出了杰出的贡献。

1881他年发现了旋转磁场原理，并用于

制造感应电动机；1888年他发明多相交流传输及配电系统；1889—1890年制成赫兹振荡器；

1891年他发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。

他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流

的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展旦。

1901

—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyfe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。

2001年5

月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的

灯泡。

其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接

近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但

其使用时仍然要将产品与充电器接触。

2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。

此系统输出端电力为7V、400mA收发

线圈间距为4mni时，输电效率最大为50%用于手机快速充电。

2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林•索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。

他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之

外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。

这种马林称之为“WiTricity”技术的原理

是“磁耦合共振”。

2008年9月，北美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。

2009年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。

供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。

2方案论证与比较

2.1无线充电方式的选择

无线充电方式

充电效率

使用频率范围

传输距离

电场耦合方式

无

无

无

电磁感应方式

92%

22KHz

数mm-数cm

磁共振方式

95%

13.56MHz

数cm-数m

无线电波方式

38%

2.45GHz

数m-

2.1.1电场耦合方式

电场耦合方式的无线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，电场耦合

方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力，具有抗水平

错位能力较强的特点。

2.1.2电磁感应方式

利用电磁感应原理进行充电的设备，类似于变压器，在发送和接收端各有一个线圈，

发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给

用电设备。

2.1.3磁共振方式

磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。

排列好振动频率相同的在磁场中的相同振动频率的线圈，也可从一个向另一个供电。

2.1.4无线电波方式

类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路,

可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

小结：

一般，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且现在在电动汽车上有实际应

用；电磁感应式非接触充电系统存在以下三方面的问题：

（1）送电距离比较短，如果两个线圈的横向偏差较大传输效率就会明显下降。

目前来看只能实现传输距离很小的范围，需要考虑很多的散热问题，比如线圈之间的发热。

（2）耦合的辐射问题，电磁波的耦合会不会存在大的磁场泄漏。

电磁感应在线圈之间传输电力，如同磁铁一样，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影响是个很大问题。

（3）线圈之间也是有可能有杂物进入的。

虽然磁场共振方式，是现在最被看好、被认

为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式，但是目前技术上的难点是，小型、高效

率化比较难。

电磁波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”，可

以从根本解决问题。

设计最难的部分在于安全。

因为无线充电系统会发射电磁波能量，有两

大问题，一是长期发射，长时间下会造成能源浪费。

二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。

所以需要有“受电端目标物辨识”，当正确的

目标放置时才送电。

经过多方考虑选择方案二电磁感应的传电方式。

2.2电路图的选择方案

经过实践，比较了多个电路，最终确定电路图。

221电源的选择

大赛规定除了15V直流电源外，不得使用其他电源。

2.2.2振荡器的选择

方案一：

采用2M晶振与集成电路4069等组合，完成振荡电路。

方案二：

采用电感和电容并联，实现LC共振。

方案三：

采用555定时器完成振荡电路。

方案四：

采用CD4069完成RC可调振荡电路。

鉴于以上对比与分析，本设计采用方案二与方案四，因为电路中用到两处起振。

2.3处理器的论证与选择（LM311）

方案一：

基于CD4069集成块的振荡方案。

方案二：

基于74LS04集成块的振荡方案。

方案三：

基于74LS16集成块的振荡方案。

鉴于上述对比与分析，本设计采用方案一。

3电磁感应传输系统的分析计算

利用电磁感应进行短程电力传输的摹本原理如图所示，发射线圈和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。

若在线圈L1中通以交变电流，电流将在介质中形成’一个交变磁场’，线圈L2中产生的感应电势可供给移动设备或者给电池充电。

系统的传输效率取决于发射和接收线圈之的耦合系数k和品质因数Q。

Pom

Pout

最小损耗因数的计算公式如下:

其中，耦合系数k又与两个线圈之间的距离乙相对大小（D2/D）

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等放到同个充电挚上，能进行同时充电，而且无需精确定位，原因足充电挚内装有密集的小型线圈阵列，能在各个方向建立磁场。

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、录像带等利用磁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Splashpower、美国wiidCharge等公司。

这种接触式无线电力传输方式的优点足制造成本较低、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。

4系统设计

4.1单元电路设计

4.1.1:

振荡部分的设计

LC振荡电路:

CD4069振荡电路:

经实验得：

用LC振荡电路产生高频振荡比CD4069的效果要好!

4.1.2发射，接收模块电路设计

发射传输接收

樓块.模块蟆块

发射和接收线圈都采用直径20cm左右的漆包线绕10匝。

发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射频功率信号，以便接收电路能够充分利用能量；接

收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。

为了满足实际应用的需求，需要将接收到的射频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理，处理之后的直流电压方可供其他负载使用。

该模块主要包括整流电路以及降压电路。

4.2总体设计

RP

总体设计框架图

该充电电路的CD400系列的CMOS电路的极限电宦时18v,不稳的的交流12v电压整流滤波后的空载电压可能会超过18v（所&CD4069的电源电压用三端稳压集成电路7805®供°CMDS电路所育不用的输入端接上适半的逻辑电平，晶体扼荡接成小门振荡器，振荡输出经二级缓冲后送到功率场效应管的栅极G,开始为保护场效应管，栅极电路上设置偏压和泄漏电路'尿证电路稳定工作。

该实验能够点亮发光二极管口能给充电电池充电，基本达到实验耍求曲发射线圈与按收线圈之间的憾陨距离不AK-W此貝有改进余地。

例如可以在发射屯路小再接一个功率放人电路使发射线圈的功率变大"

仿真电路：

5系统测试

（1）在距离为10cm时，采用可调负载，电压可以加大，测量输出电压，如表1所示。

表1

电感LZ（微H）

距离L（cm）

电容C（微F）

频率F（HZ）

电压（V）

54

10

0.01

120k

4

165k

14

202k

20

（2）在距离为12cm时，串联两个发光二极管，测量输出电压，如表2所示。

表2

电感LZ（微H）

距离L（cm）

电容C（微F）

频率F（HZ）

电压（V）

54

12

0.01

260k

2

760k

10

1.29M

16

（3）效率

距离（cm）

输入

输出

效率（%

电流

电压

频率

电压

电流

10

0.12mA

15V

120HZ

10.11v

0.9mA

0.5

10

2.9mA

10.15v

99HZ

15v

0.2A

0.9

10

0.19A

15v

99HZ

2.6v

0.01A

0.9

6结论

本系统实现了题目的基本部分以及发挥部分的部分要求，经过测试，实现了电能的无线传输，

传输距离为10cm,输入直流电压5=15V时，接收端输出直流电流I2=O.5A，输出直流电压

U2>8V,输入直流电压5=15V,输入直流电流不大于1A。

发射与接受线圈为空心线圈，线

圈外径均20+/-2cm;发射与接收线圈间介质为空气。

I2为连续电流，制作时考虑了测试

lc谐振耦合电能无线传

需要，合理设置了测试点，测量相关电压、电流十分方便。

通过对

输的理论分析，发现当发射线圈的电感量发生微小变化时，传输效率大大减小，而接收线圈

的电感变化对传输效率影响并不明显。

从而解决了谐振耦合电能无线传输中由于谐振频率失谐带来的传输效率低下问题，有利于该技术的进一步推广与应用。

参考文献

[1].刘明旭•无线能量传输的途径研究•绵羊师范学院•2012

[2].程朝阳.简易无线供电系统方案论文•淮南师范学院•2011

[3].侯清扛，无线供电技术方案及应用[J].光盘技术，2009,（02）:

32-34

致谢

首先，感谢我们的指导老师邵云涟、孙红兵老师在电子竞赛中对我们给予的悉心指导和

严格要求，同时也感谢本校的一些老师在电子竞赛设计期间所给予我们得帮助。

在我们电子

竞赛期间，各位老师给我们提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这

样的帮助和关怀，我们不会这么顺利的完成电子设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。

同时还要感谢院实验室在此期间提供给我们优越的实验条件。

我们还要感谢和我们一起参加电子竞赛的同学。

在电子竞赛的短短四天时间里，你们给

我们提出很多宝贵的意见，给了我们不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。

同时，我们还要感谢寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，

在和他们的相互帮助和启发中，才有我们今天的成功。

还有许许多多给予我们鼓励和帮助的朋友，在此也一并表示忠心地感谢！

14