无线电能传输装置设计报告

无线电能传输装置设计报告

摘要

磁耦合谐振式无线电能传输是众多短距离电能特殊传输技术之一，它因其便捷，节

能环保而受到广泛关注。现在磁耦合谐振式无线电能传输距离已经可以达到米级的范围，甚至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传输距离问题解决以后该技术无疑对无线电能技术的发展具有重大的意义。该文主要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传输的原理设计制作的小型无线电能传输设备。该设备主要包括驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传输电路，磁耦合谐振接收电路，整流滤波电路，以及显示电路模块等。当发射和接收端都达到谐振频率时即可实现能量的最大传输。该设备在题目要求下可实现10cm以上，效率高达26%的能量传输，并且可以实现点亮30cm以外的2W的灯泡。

关键词磁耦合谐振无线电能传输发射距离接收效率

一、设计任务

设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。

要求：（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效

率η。（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。

二、方案论证

驱动发射线圈电路

方案一

：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控。

其主要特点为：

1.自动适应供电电压调节功能使之能够在较宽的电压下均能工作

2.自动频率锁定

3. 自动负检测负载

4. 自动功率控制

5.高速能量输电传送

6.高效电磁能量转换

7.智能检测系统，免调试

方案二：

采用MOS管无稳态多谐振荡器，由两路MOS管，高频扼流圈和二极管组成对称的振荡器电路，原理图如下所示：

该方案电路简单明了，元器件少，并且操作起来简单。

综上所述，我们选择方案二。

磁耦合谐振传输和接收电路

方案一：

电磁感应式传输方式电能传输电路的基本特征是原边与副边电路分离，通过磁场耦合感应联系。该电路的优点包括存在较大气隙，使得原副边无电接触，可实现无线传输，较大的气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高。缺点包括传输距离短，实际上多在mm级。电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。

方案二：

谐振耦合方式该方案是由麻省理工学院物理系，电子工程，计算机科学系，以及军事纳米技术研究所得研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物题间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。该方式的优点包括。利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率高。能量传输不受空间障碍物的影响。传输效果与频率及天线尺寸密切。缺点包括谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。

其原理图如下所示：

图2-2 谐振耦合式电能传输原理图

方案三：

无线电波式（辐射式）该方案类似于早期使用的矿石收音机，主要由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，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。但其缺点有微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。

综合本题目的各项要求，要求功率传输效率较高，同时距离要尽可能较大，我们选择方案二，谐振耦合方式进行信号和能量的传输。

整流滤波电路模块

方案一：

半波整流电路半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示

半波整流电路虽然达到了整流的目的，

但是负载电压及负载电流的大小随时间变化，

并且半

波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。

方案二：

桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示

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整流滤波电路模块

方案一：

半波整流电路半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示图2-3 半波整流电路图半波整流电路虽然达到了整流的目的，但是负载电压及负载电流的大小随时间变化，并且半波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。

方案二：

桥式整流电路桥式整流是对二极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示图2-4：桥式整流电路图综合题目分析，我们选择桥式整流电路，来提高效率的目的。