无线电能传输设计报告

2014年湖北省TI杯大学生电子设计竞赛

无线电能传输装置（F题）

【本科组】

2014年8月14日

无线电能传输装置设计和总结报告

摘要：

本装置由前级升压电路、发射电路、接收电路和整流电路构成，通过发射线圈和接收线圈间磁耦合谐振进行电能的传输。发射电路经过LC自激振荡将能量传递给接收电路，为了提高电能传输效率和输出功率，特设计带有抽头的接收线圈，使的接收电路可进行电压变比调节和电流变比调节，当阻抗匹配后，就可实现较大电能的传输，提升了传递效率。测试结果显示：发射线圈和接收线圈相距10cm，负载为50Ω时，最大传递效率可达51%；带2个串联的1W LED灯负载时，两线圈间距离在0~60cm的范围内LED灯不熄灭；当输出电流为0.5A时，电能传输效率接近最大值。

关键词：无线传能；磁耦合谐振；阻抗匹配；高效率传输

一、系统方案

1.1系统结构

磁耦合谐振式无线电能传输装置总体设计方案如图1.1所示。

图1.1 磁耦合谐振式无线电能传输装置总体设计方案示意图该系统总体设计方案由前级升压电路、自激振荡电路、电磁发射装置、电磁接收装置和整流电路构成。

前级升压电路由升压模块构成，可提高输入电压，增大输出功率，达到更高的传递效率。

自激振荡电路通过LC自激振荡产生一个确定的频率，更便于实现电磁发射装置和电磁接收装置的阻抗匹配，达到高效率的电能传输。

电磁发射装置由安规电容、无极性电容和发射线圈构成，通过调节电容的大小实现阻抗匹配，达到最大功率传输。

电磁接收装置由安规电容、无极性电容和接收线圈构成。接收线圈通过抽头实现了电压变比调节和电流变比调节，在获得最大输出电流的同时，减小了对输出电压的影响，增大了输出功率，也使输出电压电流更稳定。

整流电路将接收的高频能量转换为直流输出，供直流负载使用。

综上所述，电能通过共振和磁场耦合在系统中进行传输，在整个电能的传输过程中，磁场之间的耦合效率决定了电能的传输效率，同时也决定了电能的传输距离。

该实验装置通过磁场耦合和共振传输能量，其能量传输过程如图 1.2 所示。

图 1.2 能量传输过程示意图

1.2方案比较与选择

（1）电磁发射装置方案选择

发射线圈采用直径为4mm粗铜丝绕制成8圈直径为20cm的圆形柱状线圈。

方案一：全桥高频逆变发射装置

全桥逆变电路将直流转换为高频交流，逆变频率可达几百千赫兹到几兆赫兹，这种高频交流加到并联LC电路两端，使LC产生振荡，但是此方案中逆变、外加驱动和单片机需要消耗能量，存在一定的损耗，不适合用于小功率无线电能传输，且装置转换效率受到很大影响，此方案不采用。

方案二：单管LC起振发射装置

一个功率管高频开通关断使并联的发射线圈和电容振荡，将电能传输至接收装置，因为LC振荡频率未知，单管很难在合适频率的PWM波控制下并让LC振荡将最高效的电能传递出去，此方案不采用。

方案三：自激振荡发射装置

通过自激振荡电路让两个MOS管交替开通关断，无需额外供电以及驱动电路，即可让LC产生振荡，此种方案优势在于其他损耗较小，对于小功率无线电能传输适合，可以达到较高的传输效率，固采用此方案。

（2）电磁接收装置方案选择

接收线圈采用直径为4mm粗铜丝绕制成8圈直径为20cm的圆形柱状线圈

方案一：将接收线圈两端与电容并联构成振荡电路后，与整流电路相连接，输出稳定直流，但此方案输出电压和电流相互之间影响较大，当输出电流较大时，输出电压较小；输出电压较大时，电流较小，固此方案不采用。

方案二： 将接收线圈两端与电容并联构成振荡电路后，在距接收线圈一端3/4处引出一抽头，将接收线圈一端和抽头连接到整流电路，这样整个接收线圈与耦合电容构成耦合电路，部分接收线圈和整流电路够成一恒流源，互不影响，此方案可在获得最大电流时，减小对输出电压的影响，使电能传输效率提高，固采用此方案。

二、理论分析与计算

2.1无线传输装置工作原理分析

磁耦合线圈是无线能量传输的核心，匹配调谐电路（C1、C2）与耦合线圈（L1、

L2）相配合，实现共振。能量从直流电流由匹配调谐电路和一次耦合线圈间的谐振作用转变为高频电流，通过磁场耦合传输到二次耦合线圈，再流过二次匹配调谐电路和整流电路供给负载 RL ，无线传输装置工作原理图如图2.1所示。

图2.1 无线传输装置工作原理图

2.2无线传输装置效率分析

电容 C1、C2分别使一次侧和二次侧各自达到谐振状态,谐振频率为

2211/1/1C L C L w ==，p1为 r1消耗功率，p2为二次消耗功率。一、二次消耗功率之比为21221/Q Q k p p =,式中Q1、Q2分别为一次侧和二次侧的品质因数，

111/r wL Q = , )/(222L R r wL Q +=,式中L1和 L2为线圈等效自感, r1、r2是一

次侧和二次侧的等效电阻，如图2.2所示，M 为线圈间互感，s V 为输入电压。可见在耦合系数较小的情况下，通过引入谐振补偿，采用较高品质因数的谐振线圈可以使得二次侧得到较大的输入功率，实现较高效率的无线能量传输。文献[5]中，认为高效率的无线能量传输装置，品质因数应达到210或以上。文献[8]中，采用较高品质因数的自谐振线圈（Q=950±50），使得保持一定功率的条件下，达到较大的传输距离。

图2.2 无线电能传输装置工作原理简化图

负载功率为：)/(22L L L R r p R p += 或 2212)/)(/(wM wM R r r R V p L L S L ++=，由

以上公式可以求得，当 负 载 电 阻为 3/3//34212222r r M w r R L -+= 时，负载功率最大。一次线圈的损耗 p1为)/()/1(21221Q Q k R r p p L L += ,二次线圈的损耗 p2为))/((222L L R r r p p +=，系统效率η为

))1)(/(()/()/(21222122122Q Q k R r Q Q k R p p R r R p L L L L ++=++=）（η。

三、电路设计 3.1前级升压装置

图3.1 前级升压装置电路图

通过TI 的TPS40210芯片将15V 直流电源升压至24V ，以增大输入功率和传