学 院

信息工程学院

专业班级

xxx

姓 名

xxx

学    号

xxx

题 目

小功率无线电能传输装置的设计

题目类型

应用研究

一、选题背景及依据

1.1 选题背景

随着科技不断进步，人类的生产生活与电的使用密切相关，生活中的各类电子产品、大型电器对供电、充电、蓄电的要求越来越高。于是利用无线电能传输技术以非接触的方式给终端负载供电的各类技术应运而生。在持续增长的消费电子市场中，消费者对于电子产品的无线充电有着极大的市场需求；在工业生产中，也常常会涉及到很多运动部件的供电。在环境保护的基本国策下，电能作为一种绿色清洁能源被广泛用于特殊电动车辆，如电动自行车、电动公交车以及工业电动运输车等，而无线充供电方式将大大方便这一清洁能源的使用。无线能量传输技术还能应用于一些特殊的领域，例如：体内植入式医疗器械的充电、RFID识别卡的供电、军用无人飞机、正在危险作业电动机器人的充供电等，在这些领域里传统有线供电往往存在一定的困难。

无线输电分大致分为电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式三种。无线电力传输主要是利用无线电的手段，通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，在通过接收器将中继能量转换为电能，从而实现无线电能传输。在国内，无线电能传输的研究正处于起步阶段，相信在未来的几十年里，这项技术的研究会更趋成熟，并能被广泛运用于人们的生产生活的方方面面。

1.2 选题目的及意义

新型无线电能传输系统运用电磁谐振耦合技术实现电能更加便捷安全的传输，改善了传统电能传输中电源线连接问题，对于现实生活具有重要意义。无线电能传输装置的意义在于它具备通用性、便携性、安全性，它可以用于充电应急，为供电节省了大量的线材，无论是橡胶、塑料抑或铜、锡等金属的消耗都将因此而大幅度减少，节约资源、减少污染，低碳环保。

随着研究的不断深入，电磁谐振耦合无线电能传输技术将重点在应用层面上不断进行改进，不断提高系统的传输效率和可靠性，以最终实现产业化，对人类生活的方方面面产生显著的影响。

1.3 国内外研究状况

早在十九世纪九十年代，尼古拉•特斯拉就提出了无线能量传输的构想。特斯拉当时耗资巨大，然而也并没能够解决如何以最优的方向定向传送能量的问题。国外对无线能量传输技术的研究开展的较早，大致分为两种：一是利用电磁波传送的方案；二是谐振耦合电磁感应方案。1968年，美国工程师Glaser提出了一种使用微波传输技术的太阳能发电卫星构想，主要是利用太阳能发电卫星发电，以微波或激光方式传送，再地面接收、转化并利用；在谐振耦合电磁感应能量传输方案的研究方面，催生了大量新型应用。诸如：无线充电电动牙刷、EV1型电车无接触感应充电系统和新西兰Rororua国家地热公园的旅客电动运输车等。这些应用岁传输功率低、距离近，但其无线优势却解决了接触式供电方式存在的安全性和可靠性的隐患。

在国内，对于疏松耦合电磁感应方案的研究也取得了一些成果。比较著名的有：中科院严陆光院士带领的研究小组从高速轨道交通的角度对运动型应用进行了性能分析；西安交通大学的王兆安教授团队对系统频率分叉现象和负载电压控制进行的研究等。目前，无线充电技术仍需要面临的一个技术难题就是远距离无线电能传输的定向收发问题，以实现它们最高效率的电力传输，从而实现磁场能量的最有效转移。

1.4 参考文献

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[2] 刘修泉，曾昭瑞，黄平.空心线圈的计算与实验分析[J].工程设计学报，2008(2):149-153

二、[3] 陈雷，赵艳军，王艳玲.基于PT4115的大功率LED恒流驱动的设计[J].灯与照明，2008(3):31-34.

[4] 傅文珍，张波，丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究[J].变频器世界，2009(8):41-104.

[5] 傅文珍，张波，丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机 工程学报，2009(18):21-26.

[6] 陆芬，王慧贞.基于频率跟踪控制的串联谐振变换器研究[J].电力电子技术，2010(3):63-67

[7] 李阳，杨庆新，闫卓等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报，2012(7):7-11.

[8] 夏晨阳，孙跃，贾娜等.耦合磁共振电能传输系统磁路机构参数优化[J].电工技术学报，2012(11):139-145.

[9] 杨庆新.大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究[D].河北：河北工业大学，2012.

[10] 周诗杰.无线电能传输系统能量建模及其应用[D].重庆：重庆大学，2012.

[11] 陈逸鹏.磁谐振耦合无线电能传输系统的特性研究[D].广东：广东工业大学，2014.

[12] 郝潇潇.基于双谐振耦合的能量与信号传输技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

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[14] 李有全.低频无线电能传输系统性能优化及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[15] 李振杰.远距离小功率无线电能传输技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[16] 李振杰，逯仁贵，朱春波等.远距离小功率无线电能穿红素系统性能优化研究[J].电工技术学报，2015,vol.30 sup.1: 209-214.

[17] 李阳，朱春波，宋凯等.弱耦合无线电能传输系统驱动源研究[J].电工技术学报，2015(11):139-145.

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[20] B. L. Cannon，J. F. Hoburg，D. D. Stancil et al. Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers，IEEE Transactions on Power Electronics， 2009，24：1819~1826.

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[22] D. Schneider. Wireless power at a distance is still far away，IEEE Spectrum，2010：35~39.

三、主要设计内容、设计思想及工作方法或工作流程

2.1 主要设计任务

1、查询无线电能传输的相关资料，理清系统整体设计思路；

2、设计系统整体构架和硬件电路，设计出相关的PCB并制作相关的电路板并调试做好相关数据记录；

3、设计系统的软件构架，并对系统软件进行模块化设计，做好相关的修改记录和数据记录；

4、设计并制作出相关软硬件，对系统整体调试，保持发射线圈与接收线圈间距离x =5-10cm、输入直流电压U1=12-15V时，接收端输出直流电流I2 = 0.5A，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。

5、输入直流电压U1=15V，直流电流I1≤1A，接收端负载为2只串联LED灯（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。

6、记录调试数据，完成论文的撰写。

2.2 工作原理

无线传输系统主要利用的是磁耦合谐振的工作原理、非接触式的无线能量传输利用电磁感应原理实现能量传递。用于谐振耦合能量无线传输的2个线圈发生自谐振，即线圈本身高频等效电路发生自谐振实现全回路阻抗达到最小值，从而使大部分能量往谐振路径传递。系统的基本结构主要由电源模块、发射模块、接收模块、负载4部分组成，发射模块与接收模块通过磁场耦合相联系。发射电路把电能转换为磁场能量发射，通过前后级绕组的电磁感应将磁场能量传输到接收电路，经过相应的能量调节装置，将能量变换为应用场合负载可以直接使用的电能形成，从而达到非接触式电能传输的目的。

系统整体结构如图2-1所示。

图2-1 电能无线传输装置结构框图

2.3 设计思想

本课题要求设计一个传输高效、远距、带负载能力强的小功率无线电能传输装置。设计拟采用单片机产生方波信号控制双管推挽开关电路，直流到交流高频逆变，再经由高频功率放大电路对信号进行放大并由LC并联谐振将能量发送出去，同时在接收端以相同频率产生收发共振，使之中的能量达到峰值从而达到能量互换，最后进行整流滤波供负载使用。

设计宜采用线圈并联谐振电容的方式而非串联谐振的结构，原因如下：首先，实际电路中采用串联结构，一旦发生谐振，则电容过电流，易损坏元件，而采用并联结构则可以有效避免过电流引起的电路损坏；其次，采用并联谐振电容能够激励出更高能量的磁场，有利于电能的无线传输。

本设计难点在于发送线圈和接收线圈的频率配合，收发线圈的中心对齐以和元件的选取及元件参数的设计，因此需要综合运用电能变换技术、电磁谐振耦合原理、高频功率放大等方面的思想，为系统设计提供关键的技术指导。

2.4 硬件电路关键元器件选型

2.4.1 主控芯片选择及说明

核心控制部分拟采用MSP430作为控制器，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序，因此MSP430系列单片机是高性能模拟器件；精确测量的理想选择；先进的16位RISC CPU 使得新的应用仅需一段代码即可实现；系统内可编程闪存允许更改代码、更新字段和记录数据。

考虑负载端电压电流可能需要精确采样，以及需要产生高频率可调的方波，MSP430系列单片机功能强大，能够满足设计要求，本设计拟用MSP430F149单片机。

MSP430F149芯片如图2-2所示。

(a)                           (b)

图2-2 芯片MSP430F149 (a)引脚图 (b)实物图

2.4.2 高频功率MOSFET驱动器的选择及说明

发射端拟采用单管驱动电路，即用一个三极管控制MOS管的开断，由易控制单端信号进行控制，形成斩波电路，进而驱动LC网络。电路采用CSD19535 MOS管，功耗低，耐压高，且开关频率的上限截止频率也能达到8-9MHz。故此装置要求应当采用驱动能力强，带负载能力强的高频功率驱动芯片。

本设计拟采用UCC27211，它是一种最大120V电压启动、4A峰值、高频高侧/低侧驱动器。

UCC27211的一些主要电气特性：

1．能够驱动两个N沟道MOSFET，高、低侧驱动器；

2．具有0.9 Ω下拉/上拉电阻；

3．TTL或伪COMS兼容输入，各输入引脚可耐受-10V到20V的电压且各自具有独立的电源电压范围；

4．7.2 ns上升和5.5 ns下降时间，具有快速的传播延迟时间，2 ns 的延迟匹配；

5．8V至17V的VDD工作电压范围，最大耐受电压为20V；

6．工作温度范围：从-40℃至140℃可指定；

UCC27211的引脚图如图2-3所示，其引脚功能表如表2-1。

(a)                    (b)

图2-3 芯片UCC27211 (a)引脚图 (b)实物图

表2-1 UCC27211引脚功能表

2.4.3 MOSFET管芯片的选择及说明

发射部分MOSFET管拟采用CSD19535，MOS管选择很重要，其耐压值、开关频率、功率及阻抗等器件参数对发射电路中的高频逆变电路有着巨大的影响，如果器件参数不达标，很有可能导致发射电路散热不良，器件烧毁，驱动电路无法正常驱动MOSFET来产生所需要的高频率交流波形，从而使得发射电路无法正常发送电磁能量。其次，发射电路要求MOSFET应具有极低的导通阻抗，这样能减少电能以热量的形式损失，从而提高电能传输的效率。

MOSFET CSD19535是一种100V N通道NexFET 功率MOSFET，具有超低Qg、Qgd和低热阻。

CSD19535的部分电气特性参数如下：

1. T = 25℃时，漏源电压VDS最大为100V，栅源电压VGS最大±20V，连续漏电流ID最大187A；

2. 工作温度TJ为-55℃至175℃；

3. 动态特性：当VDS=50V，VGS=10V，IDS=100A，RG=0Ω时，开关管打开延迟时间tD(on)为32ns，上升时间tr为15ns，关闭延迟时间tD(off)为60ns，下降时间tf为5ns；

4. 二极管特性：当ISD=100A，VGS=0V时，二极管的正向电压VSD为0.9V；当IF=100A，VDS=50V时，二极管反向恢复时间trr为89ns。

CSD19535芯片如图2-4所示。

(a)                      (b)

图2-4 芯片CSD19535 (a)引脚图 (b)实物图

2.4.4 整流芯片的选择及说明

采用集成全桥整流芯片，构成全桥整流电路，其具有高稳定性和高效率等特点。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中心抽头，结构简单，且伏安容量小。本设计拟采用直插式整流桥芯片DB207，是一种大电流玻璃钝化成型单相桥式整流器。

DB207 的一些特点如下：

1. 等级达到1000 V  PRV，低正向压降，高电流能力；

2. 利用模压塑料技术，是具有可靠的低造价产品；

3. 最大的峰值反向电压VRRM为1000V；

4. 最大RMS电压VRMS 为700V；

5. 最大直流阻断电压VDC为1000V；

6. 最大正向平均整流电流为IAV为2.0A；

7. 工作温度范围TJ为-55 ℃到+150℃；

DB207 芯片如图2-5所示。

(a)                 (b)

图2-5 芯片DB207 (a)引脚图 (b)实物图

2.4.5 收发线圈的形式选择及说明

紧密无序绕制的线圈分布电容多，高频工作的情况下，等效总损耗电阻增大，降低品质因数Q，传输效率也急剧降低，而平面螺旋式的线圈厚度很薄，适于微型用电设备，但收发圈的中心一旦偏离，会使能量传输效率急剧下降。

故而选择密绕螺线管式的线圈绕制方式，发射线圈和接收线圈的方向性是保证高效率电能传输的必要条件，密绕螺线管式线圈产生的磁场均匀且方向性好，同时它具有传输距离远和效率高的优点，适合用于无线电能传输系统。

线圈结构如图2-6所示。

(a)                 (b)

图2-6 线圈结构 (a)平面螺旋式线圈 (b)密绕螺线管式线圈

2.5 系统软件设计流程

本系统对软件的要求仅是产生高频率PWM用于高频逆变电路产生交流信号使用，因其高频驱动，所需的PWM波频率较大，固将系统时钟设为8MHZ，通过设置TACCR0设置频率，设置TACCR0与TACCR1的比例可以改变其占空比。

系统软件设计流程如图2-7所示。

图2-7 系统PWM产生流程图

三、毕业设计（论文）工作进度安排

2016.2.29—2016.3.10：查阅相关文献，收集整理并总结参考资料，形成初步方案；

2016.3.11—2016.3.20：确定总体方案，撰写毕业设计开题报告，并进行开题答辩；

2016.3.21—2016.4.25：分模块确定实施方案，进行具体硬件设计及程序编写；

2016.4.26—2016.5.26：撰写毕业设计论文，并进行最后的软硬件调试，准备答辩。

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________

年   月    日

院 系

毕 业

设 计

领 导

小 组

审 核

意 见

难 度

综合训

练程度

是否隶属科研项目

教学院长（公章）___________

年    月    日