电场耦合式无线充电系统设计原理的图文解析
基于磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理及技术分析

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
方式。无线 电能传 输 ( WP T 1 又 可称为无接触
电能传输 ( CP T ) ,无线 电能传输技术指 的是电 能从 电源到负载中间不需要电线 连接的一种能 量传 输 方 式 。
磁 场 耦 合 式 无 线 电 能 传 输 包 括 电 磁 感 应 式 和 磁 耦 合 谐 振 式 两 种 电 能 传输 方 式 , 它 们 都 是利 用 电磁 效应 来 实 现 能 量 的 无线 传 输 。磁 耦 合 谐振 式 无 线 输 电 是 磁场 耦 合 式 无 线 电 能 传输 的 一种 特 例 , 与 电磁 感 应 式 的不 同 之处 在 于 :
2 磁耦合 谐振式 无线 电能传输 的基 本结 构和工作 原理
2 . 1 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 电能 传 输 系统 的 整 体 构
成
该系统的两个收发线圈固有频率相 同,当驱动
信 号频 率和 线 圈 固有 频 率 相 同 时 ,两 收 发 线 圈 之 间 发 生谐 振 ,此 时 谐振 耦 合 回 路 阻抗 最 小 ,
电子技术 ・ E l e c t r o n i c t e c h n o l o g y
基于磁耦 合谐振式无线 电能传输 系统的原理及技术 分析
文/ 王萌 黄睿 杨 杰
以 分 为 电 磁 辐 射 式 、 电场 耦 合 式 、 磁 场 耦 合 式
谐 振 补 偿 电 路 使 发 射 和 接 收 线 圈 具 有 相 同 的 固
( 5 ) 外 壳 采 用 铝 合 金 材 料 , 具 有 很 强 的 屏 蔽 作 用 。线 路 板 采 用 双 面 板 设 计 ,走 线 合 理 ,
高 电平 ,使 下面 几路通道有效 。当第二路有 手 动 电 路 由 D 锁 存 器 组 成 ,K1 ,K2 , 言号 时 , 高 电平 送 到 路 自 动 判 断 门 U5 C的 1 0 K3 ,K4为 各 路 的 按 钮 , 当 Kl按 一 下 时 , Ol 使 该 与 门输 出高 电平 。在 自动 选 择 为 高 电 出现 高电平 ,该电平被锁存 ,通过 手动控 制电
新能源汽车无线充电综述

电磁感应方式
灯泡
电流,进而激发高频交变磁场,将其 大,所以漏感比传统变压器大很多。
电
耦合到副边接收线圈。接收到的高频 互感耦合系数 k 在 0.1-0.3 左右。当对
磁
感
送电线圈
受电线圈
交流电随后会经过高频整流转变为直 原副边线圈采用适当补偿拓扑时,只
应 充
磁场
流电,然后送到车辆的负载。因为原 要两类线圈的品质因数大于 100,就
基于原副边线圈互感系数 k 的大 用,从而实现能量无线传输。从互感
小 (用于表征磁耦合程度) 和品质因 模型角度来看,互感耦合系数 k 可以
磁共振方式
数 Q 值 (Q 值越高,表示线圈的损耗 <0.02, 共 振 线 圈 的 品 质 因 数 Q>
磁
共
振
磁电线圈
充
电
越小),可以分为磁感应式和磁共振 500,所以,相比于传统磁感应,其有
原边高频逆变
电网
DC AC
原边金属板 1 副边金属板 1
等效电容
副边金属板 2 原边金属板 2
48 汽车工业研究·季刊 2019 年第 4 期
副边高频整流
AC DC 负载
Metal Plate
Differential Mode
Metal Plate
图 1 电场耦合式的原理图和应用场景[4]
Steel Belt
传输功率 小
传输距离 短 (数 cm)
传输效率 较高 (70-80%)
微波辐射 电磁波定型辐射 小 长 (可达 10m) 低 (30-40%)
磁感应 松耦合变压器,电磁感应原理 较大 短 高 (80-90%)
磁共振 高 Q 值收发线圈间的磁谐振耦合 大 较长 (数 m) 较高 (50-90%)
无线充电技术(四种主要方式)原理与应用实例图文详解

无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话等部分家电产品中实用化,现在其应用范围又扩大到了智能手机领域及电动汽车和列车领域。
未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部,只要将笔记本或PDA 等电器放在桌上就能够立即供电。
以下是四种主要无线充电方式: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-1.电磁感应方式无线供电驱动一枚60W电灯泡,效率高达75%。
电磁感应无线充电产品示意图电磁感应方式,送电线圈与受电线圈的中心必须完全吻合。
稍有错位的话,传输效率就会急剧下降。
下图靠移动送电线圈对准位置来提高效率。
目前,市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合总部位于美国的业界团体“无线充电联盟(WPC)”所制定的“Qi”规格。
Qi源自汉语“气功”中的“气”, 无线充电方式包括“磁共振”及“电波接收”等多种方式,Qi采用的是“电磁感应方式”。
通过实现标准化,只要是带有Qi标志的产品,无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。
在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动汽车无线充电。
在展示过程中,该公司将电能接收垫安装于雪铁龙电动汽车车身下侧,这样电池就可以通过无线充电系统进行无线充电。
电动牙刷无线充电示意图一种无线充电器发送和接收原理图2. 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音叉,一个发声的话,其他的也会共振发声。
同样,排列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。
相比电磁感应方式,利用共振可延长传输距离。
磁共振方式不同于电磁感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。
应用:三菱汽车展示供电距离为20cm,供电效率达90%以上。
线圈之间最大允许错位为20cm。
如果后轮靠在车挡上停车,基本能停在容许范围内。
索尼公司发布的一款样机:无电源线的电视机利用磁场共振实现无线供电的电视机。
电场耦合式无线电能

电场耦合式无线电能电场耦合式无线电能是一种利用电场进行能量传输的无线电技术。
它通过电场耦合的方式,将能量从发送端传输到接收端,实现无线能量供应。
本文将从电场耦合的原理、应用领域以及优缺点等方面进行论述。
电场耦合式无线电能的原理是基于电磁感应和电场耦合的原理。
当发送端产生高频电场时,接收端的电子器件会感应到电场的存在,并通过电场耦合的方式进行能量传输。
具体而言,发送端通过电源产生高频电场,而接收端的电子器件则通过接收电极感应到电场,并将其转化为电能供电。
电场耦合式无线电能在许多领域都有广泛的应用。
首先,它可以应用于电子设备的无线供电。
例如,可穿戴设备、智能手机等小型电子设备可以通过电场耦合式无线电能实现无线充电,提高使用便捷性。
其次,电场耦合式无线电能还可以应用于工业自动化领域。
无线供电可以避免传统有线供电的限制,实现设备的灵活布局和远程控制。
此外,电场耦合式无线电能还可以应用于医疗设备、智能家居等领域,为人们的生活带来便利。
电场耦合式无线电能具有一些优点和缺点。
首先,它能够实现远距离的能量传输,无需直接接触,提高了供电的灵活性。
其次,电场耦合式无线电能可以实现多设备同时供电,提高了供电效率。
然而,由于电场传输的特性,电场耦合式无线电能在传输效率和传输距离上存在一定的限制。
此外,电场耦合式无线电能对环境中的电磁波敏感,可能对其他电子设备产生干扰。
电场耦合式无线电能是一种利用电场进行能量传输的无线电技术。
它在电子设备无线供电、工业自动化、医疗设备等领域有广泛的应用。
虽然存在一些限制和缺点,但随着技术的不断发展,电场耦合式无线电能将会在未来的无线能量传输中发挥更重要的作用。
无线充电工作原理

无线充电技术工作原理无线充电的工作原理主要基于电磁感应、电磁共振、无线电波(RF)、电场耦合传输技术,这些技术允许电能通过非物理接触的方式从充电基座(或发射器)传输到电子设备(或接收器)的电池中。
以下是这三种主要无线充电技术的工作原理:①电磁感应式无线充电:1.这是目前应用最广泛、技术最成熟的无线充电方式。
其基本原理与变压器相似,利用交变电流通过初级线圈产生交变磁场,次级线圈则感应出电动势并转换为电流,从而实现电能的无线传输。
2.充电时,充电设备(如手机)放置在无线充电板上,两者内置的线圈相互靠近。
充电板上的线圈连接至电源并产生交变磁场,手机内的线圈感应到这一磁场后产生电流,进而为手机电池充电。
3.优点:效率高、技术成熟、成本相对较低。
4.缺点:传输距离短(一般需几毫米至几厘米),且要求设备位置相对固定。
②电磁共振式无线充电:1.电磁共振技术通过调整发射器和接收器的频率,使它们在同一频率上共振,从而更有效地传输电能。
这种技术的传输距离比电磁感应更远,可达数米。
2.发射器和接收器都包含能够产生和接收共振的线圈,它们被调谐到相同的频率。
当发射器通电并产生交变磁场时,与接收器线圈频率相同的部分会被放大并传输给接收器。
3.优点:传输距离较远,适用于多个设备同时充电。
4.缺点:效率相对较低,且对设备位置和方向有一定要求。
③无线电波(RF)传输式无线充电:1.无线电波式无线充电利用微波或毫米波等无线电波将电能传输到接收设备。
这种方法类似于无线通信,但传输的是电能而非信息。
2.发射器将电能转换为无线电波并发射出去,接收器则捕捉这些无线电波并将其转换回电能。
这种技术可以实现较远距离的电能传输,但技术复杂度和成本较高。
3.优点:传输距离远,理论上可以实现较远的无线充电。
4.缺点:效率低,能量在传输过程中会有较大损失;且可能对周围电子设备产生干扰。
总的来说,无线充电技术的发展为人们的生活带来了极大的便利,不同的技术各有优缺点,适用于不同的应用场景。
电动车用磁耦合谐振式无线充电系统的电路模型设计

6 10.16638/ki.1671-7988.2019.02.002电动车用磁耦合谐振式无线充电系统的电路模型设计刘凌飞,赵帅,张志雄,赵瑞林(天津职业技术师范大学 汽车与交通学院,天津 300222)摘 要:文章主要从磁耦合谐振原理出发,通过对电动汽车的使用环境考量而设计出的电动车用磁耦合谐振式无线充电系统的教学演示模型。
在通过对系统的发射端、接收端、数据收集部分进行设计与分析,可实现直接将220V 的系统电源,通过磁耦合谐振效应传递到负载,最终在接收端接收能量。
系统最终可在传输距离为10cm 的情况下,实现1kW 功率的传输,并可通过显示屏直观演示功率效率变化情况等。
关键词:磁耦合谐振;无线充电;频率跟随中图分类号:U462 文献标识码:B 文章编号:1671-7988(2019)02-06-04Circuit Model Design of Magnetically Coupled Resonant Wireless Charging Systemfor Electric VehiclesLiu Lingfei, Zhao shuai, Zhang Zhixiong, Zhao Ruilin( School of Automotion and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222 ) Abstract: In this paper, based on the principle of magnetic coupling resonance, the teaching demonstration model of the magnetic coupling resonant wireless charging system for electric vehicles is designed by considering the use environment of electric vehicles. By designing and analyzing the transmitting end, receiving end and data collecting part of the system, it is possible to directly transfer the 220V system power to the load through the magnetic coupling resonance effect, and finally receive the energy at the receiving end. The system can finally realize the transmission of 1 kW power with a transmission distance of 10 cm, and can visually demonstrate the change of power efficiency through the display screen. Keywords: Magnetic coupling resonance; wireless charging; frequency following CLC NO.: U462 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)02-06-04前言在环保与能源危机的重重压力之下,新能源汽车成为绿色出行的主力军。
电场耦合无线电能传输技术综述

电场耦合无线电能传输技术综述摘要:电场耦合无线电能传输技术是一种利用电场耦合原理实现电能无线传输的技术。
本文对电场耦合无线电能传输技术的现状、研究方法、研究成果和不足进行了综述,并提出了未来研究方向和趋势。
关键词:电场耦合,无线电能传输,研究现状,理论研究,实验研究,应用前景,挑战,发展方向引言:随着科技的发展,无线电能传输技术已经成为人们的热点领域。
电场耦合无线电能传输技术是一种新型的无线电能传输技术,其基本原理是利用电场耦合原理,实现电能的无线传输。
本文旨在对电场耦合无线电能传输技术进行综述,介绍其研究现状、研究方法、研究成果和不足,并展望未来的研究方向和趋势。
研究现状:电场耦合无线电能传输技术的研究主要包括以下几个方面:电场耦合无线电能传输技术的分类及其优缺点:电场耦合无线电能传输技术主要分为近场耦合和远场耦合两种类型。
近场耦合主要采用电容耦合的方式,具有传输功率高、效率高、安全性好的优点,但传输距离较短;远场耦合主要采用电磁感应的方式,具有传输距离远、适用范围广的优点,但传输功率和效率较低。
电场耦合无线电能传输技术的理论研究:主要包括电场耦合无线电能传输技术的传输机制、传输效率、影响因素等方面的研究。
电场耦合无线电能传输技术的实验研究:主要包括传输功率、传输效率、影响因素等方面的实验研究,以及相关硬件设计和实现等。
电场耦合无线电能传输技术的应用前景和挑战:该技术在很多领域都具有广泛的应用前景,如无线充电、电动汽车、智能家居等。
然而,目前仍存在一些挑战和技术难点,如传输距离和功率的限制,空间分布和电磁环境的影响等。
电场耦合无线电能传输技术作为一种新型的无线电能传输技术,具有其独特的优点和适用范围。
目前,该技术已经在许多领域得到了广泛的应用,但仍存在一些挑战和技术难点需要进一步解决。
未来的研究方向和趋势主要包括提高传输功率和效率、拓展传输距离和范围、优化硬件设计和实现成本等方面。
同时,还需要考虑电磁环境对传输性能的影响以及如何提高系统的安全性和可靠性。
电动汽车无线充电技术PPT课件

2021/3/18
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DSP课外研究课题
▪ 以上为一般性分析,如果用于串联谐振式半桥变换器电路中, 还应该考虑初级串联的谐振电容以及开关管的寄生电容。
2021/3/18
34
LOGO
无接触变压器设计
▪
无接触变压器的设计是系统设计的核心部分。在经过初级谐振和次级补
偿之后,我们解决了初级和次级的漏感对系统电▪ 一、拓扑选择
▪
在无接触电能传输系统中,高频变压器的初级和次级是分离的,从而导致漏感
较大,在电路上会产生很大的功率损耗、器件应力和开关损耗。为了解决这些问题
,利用漏感作为谐振电感的谐振变换器为最好的选择 J。无接触电能传输可以提供
较好的正弦波形,吸收了变压器漏感和功率器件的寄生电容,消除了电压尖峰和浪
四、控制策略
▪ 普通的半桥串联谐振式ZVS变换器一般采用PFM 的控制策略 。输出电压 经过光耦隔离,将电压信号反馈到控制电路,控制电路根据反馈的电压信号 调节其输出驱动信号的频率,从而改变开关管的导通,以达到稳定输出电压 的目的。然而,在感应耦合式无接触电能传输系统中,初、次级是完全分开 的,即使通过光耦隔离仍然是无法接受的,并且由于无接触电能传输系统的 漏感很大,频率的变化将对补偿效果影响很
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电动汽车无线充电技术工作原理
▪ 电磁感应式充电系统框图及应用
2021/3/18
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电动汽车无线充电技术工作原理
▪ 无线电波式充电
基本原理——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, 如图,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。
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电场耦合式无线充电系统设计原理的图文解析
随着便携式媒体播放器、智能手机和平板电脑等电池供电的消费类电子设备的不断普及,导致家里到处充斥着大量不同的充电器和成捆的电线。
以无线方式给设备充电的概念即没有任何直连线的连接已经推出一段时间了,现在正迅速提起人们的兴趣,使之更加灵活和更加有用。
不过目前有哪些不同的技术、工程师需要应付的设计挑战又有哪些呢?
由于无需使用充电线缆,给消费设备进行无线充电有许多吸引人的地方。
也许应该说得更明白点,无线充电的目的是通过不同于有线或连接器等的创新方式提供给设备电池充电的新途径。
无线充电方式在诸如电动牙刷等许多消费设备中已经非常流行,其中最主要的一种方法是基于麦克斯韦定律的感应方法,即来自某个线圈的磁场变化会在另外一个与之耦合的线圈中产生电流。
虽然使用磁场的感应方法适合类似上述这样的许多小设备,但在平板电脑和智能手机等更加现代的消费电子设备中使用这种方法面临着诸多工程设计挑战。
随着馈送给电池的功率的增加,相对效率或摆放耦合线圈的灵活性要求也会提高。
这种感应方法的主要考虑因素是如何控制产生或发送能量并使用感应磁场传送给接收设备的信号所产生的电磁干扰(EMI)。
接收设备随后将磁场能量转换为电能再给电池充电。
Wi-Fi、蓝牙、近场通信(NFC)、蜂窝系统和调频广播是众多无线语音和数据连接方法中的一些例子,它们可能都会受到这种电磁场的干扰。
当然,另外一个考虑因素是使功率传输效率尽可能高,即使在更高功率电平和更宽摆放误差等挑战约束条件下。
在过去几年中,业界对于如何实现感应充电技术提出了许多新的想法,但规避EMI影响的进展不像期望的那样顺利,因为达到EMI兼容需要付出艰巨的努力。
最近这方面的挑战得到了进一步发展,这得感谢无线充电联盟(WPC)的不懈努力。
WPC 是美国消费电子(CEA)组织的一项行动计划,目的是鼓励进一步研究开发,使无线充电更加引人注目,从而得到更大消费群体的青睐。
感应方法的另外一个众所周知的约束条件是需要精确地配对充电器和被充设备,这可以用电动牙刷例子来很好地描述。
充电器基板上有一个小塔,从放置待充电牙刷的基板上升出来。
使用这种方法可以使两个线圈完美匹配,以确保磁能的传输。
任何稍微的不对齐都会完全丢失功率传输能力。
在使用诸如智能手机或平板电脑等要求稍大功率电平的其它设备时,这种使用方法显然很不方便。
最后,存在如何解决电热损失的问题。
充电器功率越高,热量损失越大。
这对温度高度敏感的锂离子电池来说更是个问题,很可能会在今天外形高度紧凑的消费电子设计中产生元件应力。
使用电容架构是可以代替磁场无线充电的另外一种无线充电方法,这种方法的原理类似于电场的麦克斯韦定律。
这种概念已经被村田公司采纳,并被广泛引入新的设计。
该公司的做法是使用准静电电场并通过电容传输能量,这种电容则是由属于物理上分开的器件的两个电极组成。
将这两个器件彼此靠近就能形成一个电容阵列,并用来传输能量。
图1a显示了这种方法的基本原理。
图1a:无线功率传输中发送器-接收器对原理。
图1b:图1a所示发送器-接收器对的等效电路。
使用两组电极或极板就可以通过静电感应实现能量的传输。
充电器或发送器和便携式设备或接收器用来有效地在组成电容的合适尺寸金属表面间实现纵向的准静电耦合。
其中驱动电极或主动电极要比另外一个电极小,上面施加的电压较高,另外一个电极则是被动电极,尺寸较长,上面的电压较低。
当然正常情况下,电容传输的能量是很小的,这与电极面积小有很大的关系。
因此,为了满足给消费设备充电所需的功率水平(例如从5W至25W),需要增加电极尺寸和耦合的电压值,具体取决于实际的配置。
图2a显示了采用电容传输能量的充电器方法例子框图,其中使用的接收器和发送器模块是村田公司最近开发出的新产品。
这种模块化方法允许工程师集中精力开发耦合区的电极
设计,从而有助于快速开发出无线充电功能。
通过静电方法传输的能量大小直接正比于所使用的频率。
因此用更高的频率驱动电极对可以使设计处理更高的功率。
然而,各个国家对所使用的频率和电场强度都有限制规定。
实际上这种配置可以形成一种非常有效的天线结构,因此EMI因素通常会限制设计的灵活性。
为了实现耦合电极之间的无线收发、同时尽量减小对外的辐射量,需要进行正确地设计。
因此需要进一步理解和确定正确的电极尺寸、它们的设计、工作电压、功率值、最佳工作频率和总的尺寸约束条件。
一般情况下,理想的频率范围在200kHz至1MHz之间,有效耦合区的电压值在800V至1.52kV之间。
图2a:电容传输充电器框图。
图2b表明,对于一个满足EMI兼容要求的10W充电器来说,发送至接收电容耦合过程中存在电压步升和步降现象。
采用模块化架构的设计概念允许装置制造商将模块用作黑盒子,从而方便发送器和接收器的集成。
发送器设计覆盖到电源的链路、无线能量传输的控制以及根据位置灵活性目标对任何外形的主动耦合电极的控制。
在接收器侧,电池接口决定了设计如何从主动耦合电极区域通过下变频模块正确地接收功率。
由于便携式设备中使用的电池种类非常广泛,所以电路接口的标准化设计代表着向非常方便的设计迈出了一大步,同时也要考虑到更具挑战性的概念,比如更快的充电速度。
主要得益于欧盟委员会持续施加的压力,微型USB 5V充电接口正在成为欧洲所有移动手机的标准。
图2b:电压步升和步降是10W充电器中发送至接收电容耦合过程的一部分。
与感应方法相比,使用准静电传输的关键优势之一是,待充设备在充电基座(或充电托盘)上的位置要求不是那么严格。
通过x-y(表面)方向的精心设计,当接收器远离发送源时,仍能保持高效率且曲线相对平坦的能量传输,对任何设计(即使是有线充电器)来说效率典型值为80%左右,因此具有非常高的位置容差性能,而z(高度)仍然是最具挑战性的设计参数。
另外,使用扁平方形或矩形的桌面托盘或接近垂直的接续架子允许以任何方向摆放充电设备,不一定需要很精确。
此外,由于主要的主动接收电极可以由简单的薄铜箔搭建(这种铜箔的厚度在几个微米数量级,嵌入在塑料覆盖材料中),因此将它集成进消费设备要比集成功率感应器简单得多。
如前所述,靠近电池的热量传递对感应方法来说是一个严重的问题。
然而,作为电容耦合配置中能量载体的电场不会有任何较大的电流。
由于没有这种直流流动,因此耦合区不存在发热问题:所有阻性损耗集成在模块或驱动器电路中,耦合区一点都没有。
因此装置制造商在将微型模块集成进装置中时具有更大的设计灵活性,同时在耦合设计、功率电平和想要达到的定位容差方面具有很大的设计自由度。
考虑到上述所有这些挑战因素,电容耦合式无线能量传输可以实现更高的功率传输、更大的定位灵活性,还能满足EMC一致性要求,同时可以向制造商提供更大的设计灵活性。
总的来说,电容耦合式无线能量传输将极大地鼓舞制造商集成以无线方式给便携式设备充电的功能。