无线远距离电能传输(0127)

超长距离, 高频,无线电能传输装置研制引言：电能无线传输一直是人类的梦想，许多国内外科学家对此进行不断的研究。

人们提出了三种电能无线传输方式：一是微波线电能传输方式。

该方式利用无线电波收发原理传输电能，传输功率只能在几毫瓦至一百毫瓦之间，应用范围不大；二是电磁感应无线电能传输方式。

该方式利用变压器原副边耦合原理传输电能，传输功率大，效率高，但距离很近，仅在1cm内，目前已在轨道交通方面应用；三是谐振耦合电能无线传输方式。

该方式利用电路中电感电容谐振原理传输电能，理论上电能的传输功率、传输距离不受限制。

第一种方案原理就像我们常用的变压器，初级线圈和次级线圈并没有接触交变的电场和磁场起到了传输电能的作用，该方案效率相对而言比较高；而第二种方案是通过对载波进行与解调从而实现电能传输，广泛用于无线广播等领域，效率非常低；第三种方案是前两种方案的综合，想通过共振原理实现电能的有效传输就必须在发射和接收端下工夫，传统的效率底下的调制方法是不能实现电能的有效传输，我们小组将着重在电磁耦合方案上进行探索。

摘要：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，它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。

综合考虑到实际应用上传输效率和传输距离等因素，我们小组给出了一种用电磁耦合阵列定位最大耦合系数的电力传输方案。

关键字：无线电能传输谐振传输效率电磁耦合传输距离耦合阵列1 整体方案设计及理论分析（第1部分标题，请根据此标题进行论文整理）2、硬件电路设计（第3部分标题，请根据此标题进行论文整理）3、控制方法与软件设计（第4部分标题，请根据此标题进行论文整理）4、实验及结果（第5部分标题，请根据此标题进行论文整理）1、整体方案设计及理论分析1.1电磁耦合能量无线传输系统由能量发送器(Transmitter)，分离式功率变压器(Transformer) ，和能量接收器(Receiver)三部分组成，如图1所示。

能量发送器由三部分组成，第一部分整流滤波得到高压直流电流；第二部分为高频逆变电路，由CPLD控制载波频率，将直流进行SPWM斩波；第三部分为滤波电路，将第二部分电流滤波后形成高频交流通过线圈发送耦合到用电器线圈。

分离式变压器由发送端的电磁耦合阵列和接收端的线圈共同构成。

能量接收器将接到得高频交流经过整流滤波后得到稳定的直流供用电器使用。

图2 图31.2能量传输的效率在整个系统中，能量的损耗主要包括线圈损耗，逆变器的开关损耗，和电磁耦合过程中的磁泄漏。

开关损耗可以通过软件来控制合适的载波频率和合适的死区时间来减小。

耦合损耗是该系统能耗的主要部分，因为磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段，造成感应效率较低，在本课题采用高频(10~30kHz)传输磁场和电磁耦合阵列（图2）发送能量。

耦合阵列为一系列不同方向的线圈组成，每个线圈通过一个采样电阻，用CPLD检测采样电阻上的电流来反映此线圈的发送功率，并输出控制信号来调整线圈关断，从而使耦合效率达到最高。

另一方面，传输效率又取决于初级和次级耦合线圈的耦合因子和各线圈上的阻抗值。

图3为一组发射—接收线圈示意图。

2、硬件电路设计如图4选用AT89C52单片机来控制液晶显示次级线圈功率和初级线圈功率之比（即显示传输效率），用CPLD来控制AD芯片进行采集电流，进行初级线圈电流采集的AD我们选用精度为8位的AD7822（图5），AD7822具有5M的采样数率，能够有效迅速的采集阵列线圈中的各个电流值。

采用双口RAM来存储AD7822的采样值并输出给DA芯片，DA芯片我们采用的是DAC7801，该芯片的精度为12位，采用CPLD来控制MOS管的关断从而实现产生SPWM波。

图8为接收端的滤波电路原理图。

图4图5图6图7图83、控制方法与软件设计3.1 CPLD 控制设计CPLD 用MAX2系列的EPM240足以进行8位数据的快速采集，设计一个20位的分频器，按需求将输入50M 晶振频率分频做定时采集信号，定时器填充数据可调，由单片机做键盘部分和CPLD 接口，C PLD 采集完一帧数据将存入缓存双口RAM 中，待一页数据存满后，既可以将数据读出给单片机进行简单的数字滤波，然后返回控制信号给DA 芯片来控制电磁感应阵列的关断,达到最大效率的传输。

单片机主要负责将从双口RAM 中读出的数据显示在液晶上，并接受按键的设置，返回控制信号给C PLD ，达到辅助控制和建立友好的人机界面。

3.2 谐振耦合效率分析由图3，谐振耦合电能无线传输的模型可以由方程（1）表示。

⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-++----+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)1()11(0222111C L j R R M j Mj M j C L j R V L i ωωωωωωω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-++---+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21222111)1()1(0I I C L j R R M j M j C L j R V L i ωωωωωω (1) 为简化分析，将收发回路阻抗分别记为z 1、z 2，则)1(),1(22221111wC wL j RL R Z wC wL j R Z -++=-+= 由式（1）可求得两回路电流如下:⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0)(11222121i V Z M j M j Z wM Z Z I I ωω(2) 则发射回路的输入功率p in 和接收回路中负载r l 上的功率即输出功率p out 为22122)(wM Z Z Z V P i in += (3) []222122)()(wM Z Z R wM V P L i out += (4)传输效率为[]%100)()(22122⨯+=wM Z Z Z R wM L η（5) 将z 1、z 2及互感21L L k M =（k 为耦合系数），代入式（5），则式（5）变为()%100}})()]1([)]1({[)]1({[221222111222221⨯+-++⋅-+⋅-++⎥⎦⎤⎢⎣⎡=L L wk wC wL j R R wC wL j R wC wL j R R R L L wk L L L η (6) 谐振时有z 1=r 1，z 2=r 2+r 1，则式(5)或(6)又可写为()%100])()(.[)(22122⨯+++=wM R R R R R R wM L L L η (7)由式（6）可知，谐振耦合电能无线传输的效率与很多因素有关。

当谐振参数确定时，谐振电容即确定，而ω，r 1, r 2随谐振电感变化而变化。

因此，谐振线圈电感量最为重要。

在工作过程中，除制作偏差导致谐振电感偏离理论计算值外，线圈周围的环境，电路中寄生参数及电路温升的变化都会导致线圈电感量变化。

要保持谐振线圈的电感量与理论计算值完全一致比较困难，即容易导致l c 谐振耦合回路的固有谐振频率发生变化，从而使系统失谐。

一旦失谐，谐振耦合的效率会下降，因此需要分析线圈电感量变化对效率的影响。

设谐振耦合频率为1mhz ，根据文献[20]给出的e 类双管谐振逆变器计算公式可得图1中谐振耦合参数的理论计算值分别为：l 1=2.35mh ，c 1=12nf ，l 2=25mh ，c 2=1.0nf 。

高频条件下，空心线圈寄生电阻主要包括线圈损耗电阻r o 和辐射损耗电阻r r ，它们的定义分别为[15]：anr wu a l wu R σπσ222000== (8) ])(32)(12[234200cwh c wr n u R r ππε+= (9) 式中μ0为空间磁导率；r 为线圈半径；n 为线圈匝数a 为导线半径；σ为电导率；l 为导线长度；ε0为空气介电常数；h 为线圈宽度；c 为光速。

谐振耦合无线电能传输距离与互感关系式 [13]32215.0210)()(.2D r r n n u M π≈ (10)式(9)可知，谐振耦合电能无线传输互感与距离三次方成反比，即距离越远，耦合越小，效率越低。

对于谐振耦合电能无线传输系统，其最佳自谐振频率一般为1～50 mhz ，此时一般有r r << r o ，即可忽略辐射损耗，则线圈寄生电阻主要为线圈损耗电阻。

为尽量减少谐振电感线圈的寄生参数，本文设计发射回路和接收回路的空心线圈l 1及l 2的尺寸参数分别为：a 1=0.725mm ，a 2=0.362mm ；n 1=2，n 2=10；r 1=r 2=5cm ，根据（8）式则可计算出l1和l2的寄生电阻分别为r 1=0.014ω，r 2=0.139ω。

为方便分析线圈电感量变化对效率的影响，将耦合系数k 及负载rl 固定为一常数，谐振耦合为弱耦合，k 值可以取得比较小，如本文取k=0.02，而根据主电路负载匹配原理可取r l =10ω。

将具体参数分别代入(6)，(7)两式，以发射电感线圈l 1及接收电感线圈l 2，传输距离d 及频率f 为自变量，传输效率为应变量，得到的效率与各影响因素的关系 当发射线圈电感量偏移理论值±0.05mh ，即±2%的理论值时，传输效率下降了30%以上；而当接收线圈电感量偏移理论值相同比例时，效率变化却不大。

由此可知，发射线圈电感量的微小变化（也即失谐）是影响电能无线传输效率的主要因素，它远超过接收线圈电感量变化对效率的影响。

传输效率随谐振频率的上升逐渐增加，随距离的增加迅速减小，系统设计中，传输距离和谐振频率一旦确定，对应的传输效率即确定。

因此，谐振电感量变化是导致系统工作过程中效率下降的主要原因之一。

从而，本文设计了自调谐电能无线传输系统，当发射线圈电感量发生变化时，系统自动调整发射频率，使发射端始终工作在谐振点上，从而保证无线传输系统不会因失谐而导致效率迅速下降。

3 实验结果5 结束语通过对lc 谐振耦合电能无线传输的理论分析，本文发现CPLD 能够有效的锁定发射阵列线圈中，传输效率最大的线圈组合，并控制逆变器发射合适的载波频率，进行功率传输。

并且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。

在此基础上，实验结果证明，采用电磁感应阵列的方案，用电器无论在何方位都能以最大效率获得发送端送来的电能，从而解决了谐振耦合电能无线传输中由于电磁场方向的不确定性导致耦合因子低下问题，有利于该技术的进一步推广与应用。

参考文献[1] 武瑛,严陆光,徐善纲. 运动设备无接触供电系统耦合特性的研究[j]. 电工电能新技术,2005,24(3)[2] 周雯琪,马皓,何湘宁. 基于动态方程的电流源感应耦合电能传输电路的频率分析[j]. 中国电机工程学报,2008, 28(3)[3] 田野,张永祥,明廷涛等. 松耦合感应电源性能的影响因数分析[j]. 电工电能新技术,2006,25(1)．[4] 王路,陈敏,徐德鸿. 磁悬浮列车非接触紧急供电系统的工程化设计[j]. 中国电机工程学报,2007,27(18)[5] 武瑛,严陆光,黄常纲等. 新型无接触电能传输系统的性能分析[j]. 电工电能新技术,2003,22(4)基金项目:湖南省科技计划项目。