1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　題目 諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)設計 </p><p>　　學生姓名 學號

2、</p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　評閱教師 </p><p>　　完成日期 年月日</p><p

3、>　　磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)設計</p><p>　　學 生：萬志 </p><p><b>　　指導教師：王強 </b></p><p>　?。ㄈ龒{大學國際文化交流學院）</p><p><b>　　1課題來源 </b></p><p>　　本課題為磁耦合

4、諧振式無線電能傳輸課題。早在1893年，美國科學家尼古拉.特斯拉（Nikola Tesla）就成功利用無線充電技術點亮了一盞磷光照明燈，后來，相繼有微波式無線電能傳輸系統(tǒng)和磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，但直到2007年磁耦合諧振式無線電能傳輸的概念才被首先提出來。</p><p>　　2 研究的目的和意義 </p><p><b>　　2.1民用產品</b></p&

5、gt;<p>　　由于無線電能傳輸系統(tǒng)不需要在設備與電源之間使用硬件接口，因此同一個電源可以給各種不同的用電設備充電。這樣的話，只要有無線電能供電設備的地方，消費者就可以隨時給自己的設備充電。就像我們只要到了有WIFI熱點的地方就能夠快速上網一樣。因此，無線電能傳輸系統(tǒng)的應用將極大的增加電子設備的續(xù)航能力。應用了無線電能傳輸系統(tǒng)，設備的外殼可以做成全封閉的，這將增加電子產品的耐用性，安全性和美觀性。另外，無線電能傳輸系統(tǒng)的

6、使用將使得家庭中不再需要插座，布線。一個無線電能供電樁就可以滿足全家人的用電需求。這對于增加用電的安全性和節(jié)約資源具有重大意義。</p><p><b>　　2.2工程以及軍事</b></p><p>　　如果大功率，遠距離，高效率的無線電能傳輸系統(tǒng)研究成功，偏遠地區(qū)，地震災區(qū)的供電將不再是問題，并且也可以減少供電施工人員的勞動強度，保護自然環(huán)境。由于接口的統(tǒng)一，國家

7、的電網系統(tǒng)將更加堅強可靠。大型發(fā)電廠，微型發(fā)電站，家庭太陽能或風能發(fā)電站之間的能量傳輸將更加靈活和可靠，降低突發(fā)事件下的大面積停電風險。戰(zhàn)時，對于需要緊急電能支援的地區(qū)，可以使用大型飛機裝載無線電能供給裝置實現(xiàn)能量的供給。由于實現(xiàn)了能量的無線供給，各種微型偵察設備可以做得更加小，不間斷工作，為情報收集提供了極大的便利。</p><p>　　3 國內外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　

8、　3.1各種無線電能傳輸原理的分類與介紹</p><p>　　微波式無線電能傳輸(Wireless Power transmission via Microwave).</p><p>　　微波式無線電能傳輸技術是將電能轉化為微波，讓微波在自由空間中傳送到目標位置，再經整流，轉化成直流電能，提供直流供電的技術。由于微波傳輸過程中其能量在空氣中的衰減較大，目前微波式無線電能傳輸系統(tǒng)已被實驗證

9、實的最大總效率僅為54%，遠不能達到商用的要求。但是微波式無線電能傳輸技術最顯著的優(yōu)點就是傳輸距離非常遠，在宇宙空間中的應用前景非?？捎^。</p><p>　　激光式無線電能傳輸(Wireless Power transmission via laser)。</p><p>　　激光方向性強、能量集中,利用激光可以攜帶大量的能量,可以用較小的發(fā)射功率實現(xiàn)較遠距離的輸電。有關研究選擇激光的優(yōu)

10、勢在于,所需的傳輸和接收設備是微波所需的1/10,不存在干擾通信衛(wèi)星的風險——使用微波卻存在這種問題。不足點之一是障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換,使用激光不能像微波那樣可以闖過云層,射束能量可能會在中途喪失約一半。</p><p>　　電場耦合式無線電能傳輸（Electrical-field coupled power transfer，ECPT）。</p><p>　　電場耦合

11、式,或者稱電容輔合式,主要是利用電源側和負載側之間的電容的電場來進行能量的傳輸。充電時，設備的位置具備一定的自由度，而且電極可以做得很薄，溫升較低，更易于嵌入集成。。首先在位置方面，雖然它在距離上無法達到磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的數米長度，但在水平方向上具有較大的自由度，用戶可以將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。</p><p>　　磁場耦合式無線電能傳輸(magnetically-coupled induct

12、ive wireless power transfer，MCI-WPT)。</p><p>　　其根本原理是利用電磁感應原理，類似于變壓器，在發(fā)送端和接收端各有一個線圈，初級線圈上通一定頻率的交流電。由于電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。磁場耦合式無線電能傳輸具有傳輸功率大，效率高的優(yōu)點。功率輕松達到KW等級，在近程傳輸時效率可到90%以上，但是僅限于毫米級別。當傳輸距離增大時，

13、其傳輸功率和效率都會急劇下降。發(fā)射線圈與接收線圈之間需要嚴格的對其，線圈間的橫向偏差同樣也會導致無線傳輸效率的大幅下降。由于接收線圈與發(fā)射線圈的距離非常近，在進行大功率傳輸時的扇熱問題也將影響各元器件的工作狀態(tài)，從而降低傳輸效率。</p><p>　　目前，市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合總部位于美國的業(yè)界團體“無線充電聯(lián)盟（WPC）”所制定的“Qi”規(guī)格。Qi采用的是“電磁感應方式”。通過實現(xiàn)標

14、準化，只要是帶有Qi標志的產品，無論是哪家廠商的哪款機型均可充電。但是其最大傳輸功率限制在5W以內，因此限制了該標準的進一步應用。 </p><p>　　磁耦合諧振式無線電能傳輸(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)。</p><p>　　MIT隔空無線點燈實驗所使用的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，則

15、是現(xiàn)在最被看好、被認為是最有希望廣泛應用于各種日常電氣設備中的一種方式。根據《Science》報道,MIT物理學助教授馬林?索爾賈?？藶槭椎难芯繄F隊試制出的無線供電裝置,可以點亮60W電燈泡，傳輸距離有2.1米遠,平均效率可達到40%。他們利用的是一種全新的無線供電技術——非輻射電磁能諧振隧道效應,稱作“Witricity”無線供電技術。采用“不發(fā)出電磁波的天線(Wireless Non-radiative Power Transfer

16、)”實現(xiàn)非幅射共振能量傳輸。MIT的研究者用兩個直徑60cm的特殊銅線圈做實驗,作為送電方的一個線圈接在電源上,作為受電方的另一個線圈置于2m外并連接一個燈泡。當送電方的接通電源后,兩個線圈都以10兆赫茲的頻率振動,從而產生強大的電磁場,通過“電振”電能被傳遞了,隔空供電使燈泡發(fā)光。在電源與燈泡中間放置木料、金屬或其他電器等,燈泡仍會發(fā)亮。</p><p>　　直流共振式無線電能傳輸(Direct Current

17、 Resonant wireless power transfer)。</p><p>　　直流共振方式是將直流的電能轉變?yōu)殡姶艌瞿茉?，是利用叫做“電磁場共振?(Electromagnetic Resonance Field) ”的新物理現(xiàn)象的電力傳輸的新技術。由于是從直流電源形成直接共振場之故，因此能夠提高能源的變化效率。同時也能夠減少傳輸電力時變換電力的次數，從而達到簡單化和高電力效率。更加上通過擴大共振場

18、，將能夠期待應用于各種各樣的場面。</p><p>　　超聲波式無線電能傳輸(Wireless Power transmission via Super wave)。</p><p>　　超聲波無線輸電方式，屬于中短距 離輸電，它具 有方向性強，能量易于集中、可在各種媒質中傳播且 無電磁干擾等優(yōu)點。目前超聲波基本上都是利用壓電效應法產生 的，具有工作頻率寬(從 20kHz 到數 MHz)、

19、功率容 量大(可達幾 KW)等特點。并且壓電材料具有逆壓電效應，可方便地將超聲波轉換成電能。但是其吸收超聲波的效果不夠好，并且轉換成電能的效率較低。</p><p>　　3.2無線電能傳輸的實際應用</p><p><b>　　交通運輸領域</b></p><p>　　在交通運輸領域采用的是ICPT技術，主要應用于軌道機車和電動汽車的充電裝置中

20、。美國工業(yè)協(xié)會將電動汽車的感應式充電系統(tǒng)按功率分為3類：①用于應急的小功率充電器，功率等級為1~3kW；②中等功率充電器，功率等級為5~25kW，完成充電需4~8h；③快速充電器/柜，功率等級為75~300kW。 </p><p>　　挪威的Parkon公司正在研發(fā)基于ICPT技術的專用充電裝置。該裝置通過線性光學定位系統(tǒng)，引導駕駛員將車身上的充電插座對準固定的充電器插頭，利用汽車自身的動力，將充電器的插頭和插座

21、牢牢地連接起來。ICPT技術的難點在于能量的傳輸定位以及如何提高系統(tǒng)效率。新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司已將ICPT技術成功應用于Rotorua國家地熱公園的30kW旅客電動運輸車。20世紀90年代后期，日本、德國等國家也開始從事ICPT的研究和實用化產品開發(fā)，獲得了一定的技術突破和相應的實用產品，如日本大阪富庫公司的單軌型車和無電瓶運貨車、德國奧姆富爾（Wampeler） 公司的150 kW載人電動火車，軌道長度達400m，氣隙為120

22、mm，是迄今為止建造的最大的ICPT系統(tǒng)。</p><p><b>　　消費類電子產品領域</b></p><p>　　2010年，在第43屆美國國際消費類電子產品展覽會（CES）上，中國的海爾公司發(fā)布了首款“無尾電視”。 無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)在2010年的時候推出了‘Qi’標準，至今WPC的成員已經超過了100多

23、家，包括許多著名的手機廠商、芯片制造商和無線運營商。2012年11月，諾基亞推出了lumia920智能手機，符合Qi標準。同年12月19號，豐田汽車宣布將在Toyota Avalon 2013款新車上內置符合Qi標準的無線充電發(fā)射器。另外，麥當勞歐洲門店也宣布將布置PowerKiss無線充電技術，為顧客的手機提供充電服務。</p><p>　　英特爾公司正在嘗試將微波式無線電能傳輸技術應用于自己的超極本和“Ato

24、m Z”系列X86智能手機平臺。這種方式就相當于我們常用的Wi-Fi無線網絡，發(fā)收雙方都各自擁有一個專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應，而英特爾的微波無線充電技術，則是將微波能量轉換回電信號。</p><p>　　3.3無線電能傳輸的未來展望</p&g

25、t;<p>　　未來無線電能傳輸技術將會大規(guī)模運用。目前，TI公司已經推出了bq500系列芯片，專用于無線電能傳輸方面。該芯片體積小，效率高，解決方案成熟，可以方便的嵌入到各種智能手機以及家用智能設備上。因此，在未來五年內，我們將會看到越來越多的可無線充電設備出現(xiàn)在我們周圍。但是，近幾年的大規(guī)模應用可能僅僅會集中在小功率，近程傳輸范圍內。一方面是因為目前的技術水平還達不到在遠距離上進行高效率的無線電能傳輸，另外，人類至今還

26、無法提供科學的臨床證據來解釋電場與磁場將會如何影響人類的健康。</p><p>　　4 研究的主要內容及設計成果的應用價值</p><p>　　4.1磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)解決方案的的實現(xiàn)</p><p>　　物理實現(xiàn)一個四線圈結構的無線電能傳輸系統(tǒng)，具有參數顯示和調整功能，能夠實時看到發(fā)送端的的輸入電壓、電流和輸入功率已經接收端的輸出電壓、電流和輸出功率等信

27、息，并進一步得到系統(tǒng)的平均效率。</p><p>　　使用stm32f103微控制器進行嵌入式系統(tǒng)的設計，產生系統(tǒng)的驅動頻率信號，實現(xiàn)各種電氣信號的采集，計算與顯示。</p><p>　　UCC27210 MOS管驅動器方案</p><p>　　4.2對不同距離，不同諧振頻率下的系統(tǒng)傳輸效率進行驗證與分析</p><p>　　根據參考文獻【1

28、】可知，在磁耦合諧振系統(tǒng)中，當傳輸距離 減小到一定的程度后，隨著距離的減小，原諧振頻率處的效率卻隨之減小。而增大或減小系統(tǒng)供電頻率可以提高效率。這一現(xiàn)象表明諧振系統(tǒng)的頻率在近距離時發(fā)生了分裂。</p><p>　　4.3對有中繼線圈和接收線圈自由移動情況下的傳輸效率進行表格分析</p><p>　　根據參考文獻【1】可知，增加 1 個中繼諧振線圈能在很大的程度上提高系統(tǒng)的傳輸效率，并且由于

29、磁路彎曲，在一定的效率范圍內，接收線圈將具有更大的自由度。</p><p>　　4.4對多個接收線圈情況下的傳輸效率進行綜合分析</p><p>　　根據參考文獻【15】可知，在多個接收線圈的情況下，由于接收線圈之間的互感影響，將使得系統(tǒng)的總效率不會出現(xiàn)在諧振頻率處。</p><p><b>　　4.3應用價值</b></p>&

30、lt;p>　　家用方面。由于磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸距離可以達到幾米，因此，在家庭方面有望實現(xiàn)對各種小功率甚至中等功率的電子設備集中充電。就像如今的筆記本、智能手機、智能電視已經可穿戴設備能夠統(tǒng)一接入家用wifi無先路由器聯(lián)網使用一樣，未來家中的各種電子設備有望通過連接到統(tǒng)一的家用無線充電柱上進行無線充電。但是，就目前的研究成果來看，此系統(tǒng)在小型化，高效率方面還需要更大的改進。</p><p>　　在

31、電動汽車，包括私家車，公交車方面。利用磁諧振式無線電能充電系統(tǒng)后，能夠使得電動車在停車場停車的時候自動充電。一方面可以有效保障電動車的續(xù)航能力，減輕對電池容量的依賴，另一方面，由于停車場實現(xiàn)的是一對多的充電方式，實現(xiàn)了電能的集中供給，提高了充電效率也便于停車場的收費管理。</p><p>　　在物聯(lián)網方面。物聯(lián)網是：利用局部網絡或互聯(lián)網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、

32、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。由于需要保證物聯(lián)網中所有的元素（所有的設備、資源及通信等）都具有個性化和私有化，因此物聯(lián)網中所有的元素都需要實現(xiàn)方便的能量供給。舉個例子:一批桌子通過物聯(lián)網從A省轉運到B省，桌子上面必須含有檢測時間，桌子位置以及聯(lián)網的小型電子監(jiān)控設備。此設備如果使用普通的電池供電方式，當電池電量不足的時候，電子監(jiān)控設備將不能夠運行繼而導致無法對桌子進行監(jiān)控。如果對物聯(lián)網設備實現(xiàn)無線電能供給，只要倉庫和

33、運輸車輛中安裝有集中供電的無線電能充電器，桌子將時刻處于被監(jiān)控狀態(tài)。并且，對于下一批貨物，比如化肥或者牛肉，在不更換充電器的情況下就能進行實時監(jiān)控。</p><p><b>　　4.4 創(chuàng)新點</b></p><p>　　首次實現(xiàn)利用stm32處理器實現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)，便于將來無線電能傳輸系統(tǒng)的小型化與智能化。</p><p>　　5工作的主

34、要階段、進度</p><p>　?。?）2014年秋季學期第17周前</p><p>　　國際文化交流學院學生選課題。</p><p>　?。?）2014年秋季學期第18周</p><p>　　教學辦將學生名單發(fā)指導教師，指導教師上交畢業(yè)設計（論文）任務書，教學辦蓋章后返給指導教師，指導教師與畢業(yè)生見面，下發(fā)任務書并布置畢業(yè)設計（論文）任務。

35、（①按規(guī)范完成開題報告、外文翻譯。開題報告的正文撰寫要求字數不得少于2500字，參考文獻（含外文資料）15篇以上。②外文翻譯，外文資料必須由指導教師指定，且應與課題相關；外文翻譯應有出處；按外文在上、譯文在下裝訂。）</p><p>　　（3）2015年春季學期第1周</p><p>　　完成外文翻譯和開題報告兩項成果，上交指導教師。</p><p>　?。?）20

36、15年春季學期第2周</p><p>　　2015年3月13日前，指導教師將批閱后的外文翻譯和開題報告二項成果上交教學辦公室（應有批閱痕跡并給出成績）。</p><p>　?。?）2015年春季學期第2周到第3周</p><p>　　例行教學檢查。對外文翻譯和開題報告的完成情況及寫作規(guī)范進行全面檢查（各教學單位自查、學院檢查），并將檢查結果反饋給指導教師，由指導教師

37、督促學生修改。</p><p>　?。?）2015年春季學期第13周（2015年5月31日前完成）</p><p>　　學生應提交畢業(yè)設計（論文）成果說明書。（包括紙質文本和電子文本）及3000漢字的小論文（含圖、小4號字、A4紙5個頁碼以內，僅上交電子文本。）</p><p>　　（7）2015年春季學期第14周</p><p>　　由指導

38、教師按規(guī)范要求對學生畢業(yè)設計（論文）進行形式審查，批閱成果，寫出評語（60個字以上）評語中要求明確寫明有無抄襲、有無自己的觀點等核心內容，按百分制計成績，后交答辯組長。</p><p>　?。?）2015年春季學期第15周</p><p>　　6月8日畢業(yè)答辯。教學辦組織人員對畢業(yè)設計（論文）成果進行全面檢查。做好申報優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）的前期準備工作。</p><p&

39、gt;　　（9）2015年春季學期第15周到第18周</p><p>　　2015年6月8日前正常的畢業(yè)答辯工作結束，各答辯組長將畢業(yè)設計（論文）單科成績報表、畢業(yè)設計答辯安排表、申報優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）獎的學生名單及申請表交教學辦公室。</p><p>　　2015年7月5日安排二次答辯（補答辯）。</p><p>　　6最終目標及完成時間</p>

40、<p>　　完成無線電能傳輸系統(tǒng)的硬件設計與制作，達到系統(tǒng)能夠正常工作，各項數據能夠正確測量的目標。</p><p><b>　　完成時間：第15周</b></p><p>　　7現(xiàn)有條件及必須采取的措施</p><p>　　現(xiàn)有軟件：Altium Designer Winter 09、MATLAB 2010、 CAJViewer7.

41、2，……設備，可以完成無線電能傳輸的研究與設計。在設計中必須采取適當的保護措施。</p><p>　　8協(xié)助單位及要解決的主要問題</p><p>　　本課題的完成應解決……技術問題，同時，需要得到……單位的大力支持和幫助。</p><p><b>　　參 考 文 獻 </b></p><p>　　趙爭鳴，張藝明，陳凱楠

42、. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市 海淀區(qū) 100084</p><p>　　Seong-Min Kim, Jung-Ick Moon, In-Kui Cho, Jae-Hoon Yoon, Woo-Jin Byun .130W Power Transmitter for Wireless Power Charging using Mag

43、netic Resonance. Electronics and Telecommunication Research Institute 218 Gajeongno, Yuseong-gu, Daejeon, Korea</p><p>　　儲江龍,李玉玲等。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)高效E類功放設計和實現(xiàn)。浙江大學，碩士學位論文。</p><p>　　李陽，楊慶新，閆卓，陳海燕，張獻

44、，金亮，薛明等。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性。天津工業(yè)大學電工電能新技術天津市重點實驗室； 河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室；</p><p>　　李陽，楊慶新，閆卓，陳海燕，張獻，金亮，薛明等。無線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析。河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建實驗室； 天津工業(yè)大學電工電能新技術天津市重點實驗室； 中國電工技術學會。</p><p

45、>　　楊國明，苑舜，蔡志遠等。電磁諧振耦合無線電能傳輸技術的研究。沈陽工業(yè)大學</p><p>　　黃學良，譚林林，陳中，強浩，周亞龍，王維，曹偉杰。無線電能傳輸技術研究與應用綜述。東南大學電氣工程學院。</p><p>　　吳卓坪，孫躍，張宗明。小型無線電能傳輸裝置設計與實現(xiàn)。重慶大學，控制工程。</p><p>　　周凱，王明時?？臻g動態(tài)磁場測量裝置的研制

46、。天津大學，生物醫(yī)學工程，2005，碩士</p><p>　　王翠珍； 吳凌燕； 陳世夏。電路阻抗匹配網絡的設計。中國人民解放軍海軍航空工程學院青島分院。</p><p>　　王月愛； 侯艷紅； 馮向莉。基于Matlab仿真的阻抗匹配問題的研究。西安理工大學，陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院。</p><p>　　栗安鑫，盧偉國，劉宿城，周雒維。磁諧振LED供電系統(tǒng)的傳輸特

47、性分析。重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室。</p><p>　　朱曉凱，羅斌?；赪iTricity的WPT的等效電路理論研究。南昌大學，電子與通信工程，2012。</p><p>　　陳植。磁場對人體的影響。湖南省長沙市馬王堆省干療養(yǎng)院。《磁性材料及器件》1980年03期</p><p>　　張青，張波，丘東元。諧振耦合式無線輸電多載系統(tǒng)建模及特