无线输电技术应用研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:16525字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

2 无线充电技术概述 3

2.1 无线充电原理 3

2.1.1 电磁感应 3

2.1.2 总体方案框图 4

2.2 无线充电系统 4

2.2.1 系统控制部分 4

2.2.2 系统通用性QI标准 5

3 无线充电技术分类和对比 5

3.1 无线充电技术分类 5

3.2 无线充电技术对比 6

4 设计要求 7

4.1 线圈尺寸 7

4.2 充电效率 7

4.3 线圈温度波动 7

4.4 充电速度 7

4.5 安全性和兼容性 8

5 理论基础 8

5.1 感应充电原理 8

5.2 品质因数 10

5.3 补偿结构 10

5.3.1 单边补偿分析 10

5.3.2 双边补偿分析 12

6 无线充电系统的软硬件设计 14

6.1 线圈的制作和选择 14

6.2 方波震荡电路 15

6.2.1 XKT-412芯片的介绍 15

6.2.2 XKT-412芯片特点及各引脚的定义 15

6.2.3 使用XKT-412芯片的原因 16

6.2.4 使用XKT-412芯片产生的方波 16

7 电路及PCB板设计 16

7.1 PCB板介绍 16

7.2 发射电路 18

7.3 接收电路 18

7.4 实验波形 18

8 结论 20

9 展望 22

参考文献: 23

附录: 24

致谢 25

无线输电技术研究以无线手机充电器为例

吕斌

,China

Abstract:In view of the wireless transmission technology, this paper, the wireless phone charger, for example, has carried on the preliminary experiment and analysis. The power transmission uses high frequency electromagnetic wave through the winding and the auxiliary winding coupling. Secondly this paper puts forward some corresponding compensation mode when energy transfer and the corresponding circuit diagram design.According to the parameters such as voltage and current of mobile phone charge to choose the appropriate chip, finally through the design of PCB and made into physical related experiments, verify the feasibility of mobile wireless charging. Finally the article proves that the output power of the wireless charging is related to such factors as the wireless transmission distance and analyzes the wireless transmission efficiency by the way of experiment.

Key words: Wireless charging,Electromagnetic induction,Inductive coupling

绪论

课题研究的背景及意义

电是现代工业的动力之源,电力是城市发展的生命线,几乎所有的现代工业都依赖于电能的发展。电能的发展则主要体现在输送,分配和使用上。21世纪以来,由于电能地位的日益突出,电能的输送分配技术飞速发展,经历了许多技术的革新。然而时至今日,电能的传输依然是采用导线来完成的。导线输电的原理为:电子在导体中的定向移动形成电流,然而传统的电线输电的方式却存在种种的弊端。其一, 电流的传输必须满足完整的回路结构。比如现实生活中,我们需要使用到开关、插座等装置。但是使用这些装置时会带来各种的不安定因素:接触火花、开关电弧以及机械磨损。其二,原始的结构无法胜任当今某些特殊的工作如矿底作业,水下作业,化工作业等。因为工作在这样的环境下,除了地理条件无法满足布线要求外,还会引入危险因素,威胁到正常的安全作业。其三,现代医疗中,植入式设备已经被广泛使用。传统的设备进行充电或者跟换时,需要进行收入,划破病人的皮肤,给病人带来痛苦。[1]

使用了无线充电技术则能够大大的改善这一现状。无线充电技术具有不可比拟的优越性:更便捷、更灵活。无线充电技术迎合人们的需求,使人们摆脱了冗余的充电线,繁琐的充电方式,减少了机械的磨损。另一方面,针对植入式医疗设备的使用者,他们无需更换设备电池,减少了手术的次数。无线充电技术大大延长了设备的使用寿命。

回顾无线充电技术的历史,最早可以追溯到十九世纪末。当时交流电的发明人,伟大的物理学家尼古拉·特斯拉就已经提出了无线电能传输的理论。其中最著名的发明莫过于特斯拉线圈了。

直到今日,无线输电技术也在经历着飞速的发展。市面上已经出现了大量的无线充电设备产品,琳琅满目的便携式电子产品如智能手机,平板电脑,数摄像机等随之出现。智能手机就是便携式电子产品中最为受欢迎的一类产品。随着手机的进一步发展,人们对手机的性能要求也越来越大,比如:屏幕要更大,功能要更完善等,这样就对手机制造商有了更多的要求,因为性能的逐步完善就代表着手机的能耗也就越大,如何解决手机电池的能耗问题是各大企业都面临的问题。手机充电的频率也大大增加,杂乱无章的充电线让人们感到不适。同时,频繁的插拔造成手机充电接口损害的情况大大增加。针对这些已经出现在人们生活中的问题,无线充电技术随之出现,来解决人们充电繁琐的问题。无线充电技术使人们的充电更加便捷和灵活,越来越符合人们对充电的要求。现实生活中多有应用,如小型数码产品的锂电池充电、有轨机车的蓄电池供电[2]。

整个系统的标准按照无线充电联盟(简称WPC)推出的QI标准。随着无线充电领域的规范化,制度化,越来越多的厂商涉足到这一领域中来。手机领域技术更新周期短,市场效益巨大,许多的手机制造商为了抢占先机,纷纷发布新产品无线充电的蓝图,呈现出一番百舸争流的局面。无线充电技术必将的以后时代的主旋律。可以预见不久的将来,大部分的电子设备产品都将配备QI标准的无线充电模块。因此,本课题紧扣时代主题,顺应时代变化,具有现实意义。

国内外研究现状

国外研究现状

国外对于无线充电技术的研究较早,技术也趋于成熟。在2008年,北美的电力研讨会成功的将800w的电力以无线传输的方式传送到5米外。以色列的Powermat公司在2009年的国际电子大展上公开演示了非接触式充电系统,此系统是由他们自主研发制作的,并声称在不久的将来,无线充电技术讲普及到各种电子产品中。他们公司还提出了无线充电技术相对于有线充电技术的优势不仅是在于无线充电的便捷上,更在电力传输的效率上,其效率能够达到百分之九十以上。就在2012年9月份,诺基亚首先推出了带有无线充电功能的智能手机,一上市,该手机就收到了热捧。在无线充电技术不断发展的时候,各大公司都纷纷加入了对无线充电器的设计中[3]

国内研究现状

国内至今还没有开展大规模的研究,无线输电技术领域仍处于起步阶段,部分高校教师进行了一系列的研究。随着国外技术的普及,我国对无线充电技术的研究进入了一个新的阶段。我国的众多知名高校,如北京邮电大学、浙江大学、南京航空航天大学以及重庆大学[3]等,都已经有大量的理论研究成果。国内的众多企业也相继投入了对无线充电技术的研究中,并开发了相应的产品 [4]

无线充电技术概述

本章主要概述了无线输电过程中所需要的原理,主要是电磁感应理论:通过两侧绕组间的电磁感应影响线圈中磁通量的变化,进而形成电流。无线手机充电器就是利用这样的原理,使用电磁感应技术,将电能转化成电磁波发射出去,通过接收绕组接收电能。接收器接受到电能后,会进行整流改造,以达到能够提供手机锂电池充电所需要的标准,以此来实现无线充电的功能。

文设计的无线手机充电器是基于电磁感应式,与传统的变压器类似,但区别是无线手机充电利用了初级线圈和次级线圈的电磁耦合,使电源和负载之间充满磁场,从而完成对负载的充电过程。因为电源和负载并没有直接通过导线连接,所以就实现了无接触的电能传输系统。[5]

无线充电原理

电磁感应原理

十八世纪三十年代,迈克尔.法拉第科学家发现了磁与电之间的相互联系和转化关系。正如我们初中物理课程里学习的那样,当通电导体在磁场中做切割磁感应线的运动时,如果导体是在闭合回路中,就会产生感应电动势,进而产生感应电流。另外,在磁通量变化的闭合回路中,回路也会产生相应的电流。这就是我们学习的电磁感应定律。本设计的设计思路正是根据这个理论得来:在一个磁通量不断变化的环境中,加入一个线圈,这个线圈上就会随之产生相应的感应电流,再将产生的感应电流进行整流,逆变等操作,最终转化为能给手机电池充电的直流电[5]。换句话来说,无线充电是指将两个线圈放置一定的距离,并将线圈空间充满磁场,利用电磁波来传送电能。这就是无线手机充电器所依据的理论依据。[6]

简单来说,负载和电源之间充斥着磁场,磁场可以储备能量,最终通过电磁感应实现电能的传输。因为电磁波是无形的,具有穿透性,不需要载体,所以使用这种方法有别于传统的输电方式,不需要导线相连,满足我们对无线手机充电器的设计需要。

总体设计模块框图

图2-1 总体模块框图

将无线手机充电系统细分,可以分成两个系统:发射端系统和接收端系统。发射端又由驱动器,发射线圈。电压传感器和控制器组成,接收端则由整流器电压调节器,负载和控制器组成。电能由发射线圈与接收线圈之间传递。

无线充电系统

控制器部分

我们根据磁场等效的原理可以知道,当发射端的频率越高,传输时电能的损耗就越小。为了提高传输效率,减少发射端和接受端之间的损耗,所以在系统中我们加入了谐振补偿技术。谐振补偿技术不仅能够减少元器件上的电流电压应力,延迟了元件的使用寿命,还减少了无功功率,提高了整个系统的传输效率。[7]

系统通用性QI标准

为了推动无线充电技术的标准化,全球性组织无线充电联盟提出了QI标准。QI标准是为了实现统一的无线充电规格,使无线充电更加通用与便捷。

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