合阵列定位的无线电能传输装置设计

基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输装置 朱俊杰，陈程，李智，李曼竞 (中南林业科技大学计算机与信息工程学院，湖南长沙410004) 摘要：提出了一种基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输技术，并在此基础上完成了对该装置 的开发与研制。通过微处理器完成对环形电磁耦合阵列线圈与接收线圈耦合度的检测，只对耦合度 最高的线圈供电，使得用电设备无论处于何种方向，总有一个发送线圈与用电设备的接收线圈接近于 全耦合。避免了电能浪费和电磁辐射，实现了用电设备可以在一定范围任意移动，保证了电能传输的 高效率。 关键词：无线电能传输；电磁耦合阵列；传输效率；电磁耦舍；传输距离 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：0258—7998(2011)05—0068—03 Designofradiotransmissionequipmentbasedonpositioning oftheelectromagneticcouplingarray ZhuJunjie，ChenCheng，LiZhi，“Minjing (ComputerandInfo册ationEngi粥e血gCoⅡege，CentralSoutllUniVers时ofForestr)randTechnology，Changsha410004，China) AbStract：Akindofradiotmnsmissiontechnologyb踮edonpositioningoft11eelectmmagIleticcouplingarmyispresentedin thisp印er．Theresearchanddevelopmentoftheequipmentiscompletedontllisbasis．Throught}lecouplingdetectionofelectm- magneticcoupling锄ycoilandreceivercoilbyMCu，itcanoIIlypowertothecoilwitllh喑hestcoupling，sot11atit alwayshasa sendingcoilandreceivingcoils0felectricalequipment，nomatterwhatdirectionitisin，closetofuUcoupling．Inthisway，itcan avoidwastingenergy，reducetheelectmm雒；Ileticmdiation，andpanicularly，realizet}IattlleelectricalequipmentcanbemoVedina rangeofarbitrary，whichcouldensuretIlehighefEiciencyofpowertran8mission． Keywords：mdioener时transmission；electromagneticcouplingaⅡay；emciencyofpowertransmission；electromagneticcou— pling；tI丑nsmissiondist蚰ce 随着用电设备的增加，电线和插座也随之大量制造 和使用，造成大量物质和能源的消耗，导致环境污染。 传统电能传输采用有线传输方式，但在很多场合并不适 用，如深海作业机器人、心脏起搏器、磁悬浮列车等Il。3】。 电能无线传输一直是人类的梦想，国内外科学家在此领 域进行了不断的研究与探索。 目前，无线电能传输主要有三种方式【4-5】：(1)微波电 能传输方式。该方式利用无线电波收发原理，通过对载 波进行调制与解调实现传输电能，传输功率只能在几毫 瓦至一百毫瓦之间，应用范围不大；(2)电磁感应无线电 能传输方式。该方式利用变压器原副边耦合原理，通过 交变电场和磁场传输电能，传输功率大、效率高，但距离 +基金项目：湖南省科技项目(S2009F1023) 68 欢迎网上投稿www．chinaaet．com 很近，仅在lcm内，目前已在轨道交通等方面应用；(3) 谐振耦合电能无线传输方式，它是前两种的综合方式。 该方式利用电路中电感电容谐振原理传输电能，理论上 电能的传输功率、传输距离不受限制。 本文提出了一种基于电磁耦合阵列定位的无线电 能传输技术，并在此基础上完成了对该装置的研制。实 验明，通过微处理器完成对环形电磁耦合阵列线圈与 接收线圈耦合度的检测，控制只对耦合度最高的线圈供 电，使得用电设备无论处于何种方向，总有一个发送线 圈与用电设备的接收线圈接近于全耦合，保证了电能传 输的高效率。 1谐振耦合模型 为了便于谐振耦合过程的发生，本文仅取一组 《电子技术应用》2011年第37卷第5期 万方数据 发生谐振耦合的收发线圈￡。与￡。进行等效电路分析。 由于功率发送设备采用的均为高频信号发射{6l，所以收 发线圈的寄生电阻和电容是不可忽视的，其等效模型如 图l所示。其中D表示收发线圈之间的距离，肘表示收 发线圈之间的互感系数。 谐振耦合模型表示为： 刖州：：]怠】 ㈣ 只有当磊=R。，且有zD=R。+Rw时，￡s与Lo线圈会同时 发生自谐振，此时的电能传输效率叼是最高的16-7J，表达式 为： 叩=面面嵩筹编 (2)1 (RD+尺w)[尺s(尺D+尺w)+(∞肘)2】 、7 本文提出的基于电磁耦合阵列定位的无线电能传 输技术，在设计中加入了由多个发送线圈组成的电磁耦 合阵列，再经控制系统搜索耦合程度最大的线圈，从而 锁定由该线圈独立供电，使无线电能传输过程中的效率 始终保持最高。 2电磁耦合阵列定位 基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输装置整体 结构设计如图2所示。通过微处理器控制电磁耦合阵列 中每个线圈单独供电并检测供电电流，由微处理器搜索 到耦合程度最大的线圈从而锁定由该线圈独立供电。接 收线圈通过电磁感应接收能量，并通过桥式整流器给用 电设备供电。电磁耦合阵列由多个发送线圈组成，其空 间结构如图3所示。 电磁 耦合 阵列 接收 线圈 桥式 整流器 电流检测电路卜_—÷|整流桥 用电 设备 L竺竺墨兰卜——1竺里竺垫塑I 图2系统整体结构图 微处理器完成数据采集与控制指令的发出，电磁耦 合阵列与接收线圈之间形成电磁耦合，接收线圈通过桥 式整流器将接收到的交流信号进行整流。A／D转换器将 整流后的直流电压送入微处理器进行分析与处理，最后 由微处理器送出控制指令。电磁耦合阵列电气连接图如 图4所示。 《电子技术应用》2011年第37卷第5期 图3电磁耦合阵列空间排列图 图4电磁耦合阵列电气连接图 在整个系统中，能量的损耗主要包括线圈、开关损 耗及电磁耦合过程中的磁泄漏。可以通过软件控制合适 的载波频率和合适的死区时间来减小开关损耗，耦合损 耗是系统能耗的主要部分，因为磁场传输介质中包括磁 导率很低的空气磁路段，造成感应效率较低【8】。本系统 在电磁耦合阵列中输入10kHz～40kHz的高频信号传输 磁场和发送能量。多个发送线圈采用水平的环形排列， 使得任何用电设备在任何位置，朝任何方向，总有一个 发送线圈与用电设备的接收线圈接近于全耦合。耦合阵 列的每个线圈回路通过串联一个1：50的变压器对回路 电流进行采样，经整流及电容平缓后用CPID检测采样 耦合电压来反映此线圈的发送功率，并输出控制信号调 整线圈关断，从而使耦合效率达到最高。图3所示的电 磁耦合阵列可以为多个，不同的电磁耦合阵列按不同的 高度设置，可增加用电设备获取电能的灵活性，即用电 设备在不同的高度和不同的方向，都能最大限度地获取 电能，提高了电能的利用效率。 3系统的设计与实现 3．1电能传输主回路 主电路如图5所示，驱动电路将方波信号送入由发 送线圈、MOS管Q4、电容c2及变压器Tl构成初级线 圈，初级线圈把能量耦合发送给次级线圈，通过匝数比 为l：500的变压器T1进行电压放大，后经二极管D3， D4、D5及D6构成桥式整流电路整流和C3平滑，所获 得的直流电压送至供电设备。驱动电路采用9V直流电 源供电，当方波信号为高电平时，三极管Ql导通，Q1的 VCE较小，以致三极管Q2、Q3均截止。因此MOS管Q4 的栅极处于高阻状态(MOS管Q4处于截止状态)，即电 子开关不导通，发送线圈不能往外发送电能。方波为低 69 万方数据 图5主电路图 电平时，三极管Ql截止，Ql的C极处为高电平，此时， 三极管Q2、Q3均导通。因此MOS管Q4的栅极处于高 电平，则MOS管Q4处于导通状态，即电子开关导通，发 送线圈往外发送电能。 3．2电磁耦合阵列定位控制回路 控制电路选用如图6所示的单片机与CPLD的控制 方式。单片机完成控制与显示功能，CPLD完成数据采集 与分析。选用精度为8bit、实时采样频率为5MS／s的 AD7822芯片，对呈环形矩阵排列的原边各线圈电流值进 行采集。CPLD选用MAXII系列的EPM240芯片完成对 A／D转换后数据的存储器分析，并将数据反馈给单片 机。单片机采用AT89S52完成对环形电磁耦合阵列线圈 与接收线圈耦合度的分析，只对耦合度最高的线圈供 电，使得用电设备无论处于何方向，总 有一个发送线圈与用电设备的接收线 圈接近于全耦合，并显示传输效率。 4实验结果 本系统通过频率为32．89kHz方波 舭信号发送能量，在接收端加一个100n 假负载完成了无线电能传输装置实验 结果的测量，其结果如表l所示。实验 结果验证了基于电磁耦合阵列定位的 无线电能传输的可行性，当接收 端距离发射端4．5cm时仍然能够从发 射端接收到20mW的功率，电能传输 效率很高。 (上 表1实验结果 ， 一 ，， ●●-_ I／03 ／一 2 27—j^弛 ／一】26—j船l ／一 2 27 一／～“I一 ／一 ● 笛 —j^∞ ／一 ， 拍 广 4 25 ， 翻5 甜 一 ⋯一。。Il l ／一 6 23 一IIl 7 22 ”’ Io 剥洲、7 “”．IIn／一 6 ∞ 丑№。 。 厂_ 8 2I丑v‘ Io 10 Io 10 Io —可r、 7 22 Io—玎、 ／一 8 2lIo—Z可、 CLK 9 盖， ／一 9 2【JIO赶KLK2 ／一 ^咖 I‘， 19 ADnlIo—UK364 Io 育 ／一 10 19 ／一 lo —甜^ ／一 lI IE ADm揶 A喇 lo 1露、 ^Dml6 12 17 ^DmIl^Do堪 ／一 lI 18 Io —6外． ADhlS 13 16 ADml2AD■一 12 17 A附 Io —，盯、 ^Dml4 ^Dhl3AD-蟠 13 16 A附 A叫 —7T、 14 15 14 15 U—7n ^D7瞄 o—了r、 A嗍m ／ o—7耳、 I vD P10 P∞镑瞳 ● PlI POl cl莹。器旷kn12嘲2 P12 P02 P13 P‘B PI‘P04 2m—16V ＆ PlS Hb o—7；、一 ngI{嘎了％、一萎髓时二笺 P撼 P(蛞 o]n o—丌、 o—，薄、 o —虿r、 o 82、 o—in^ o o P17 Pt疗 ， o —百n∞1 ． 据c lNn P加描碧匿 ‘o—耵1』00 nR卵I 肇‘ Im P2l 蠢薹 6 o —霹-R)∞ I|lokn ． P22 5 o]盯)∞ l| 5kTl P23 7 o1盯htlo T !￡ 1U P2● B 9 o —§致ⅫB D凸。111．”“Jv．，Ij!DE^，VP P26 10 o P25 o—尊ro时 ¨ ’xl ～o P27 ll o瓢陆l 避 XI F穿 12凇 F矿 13 14 ，5 o 1矿()-3厂1：眦Ⅺ口12mk堕璺匹2．，RB酐Rm “j『一 16 o o T舶 l西 ^LE乒茬 o 珊¨——救 q嘹 PsENoo 图6控制电路图 (下转第74页) 70 欢迎网上投稿www．chinaaet．com《电子技术应用》2011年第37卷第5期 万方数据 越小。图5(d)曲线l、2、3分别是△THD在M=0．7、O．5、 O．3，躬=4阻s，Ⅳ=120，r=O．02s时随功率因数的变化规 律。由此可以看到，随功率因数角的增大(即功率因数的 减小)，△THD的值也增大，图中虚线4为M=O．5时的理 论计算曲线。 在研究中均保持其他条件相同情况下，谐波总含量 △THD：(1)与乃成正比，即死区越大，低次谐波含量越 大，反之亦然；(2)与Ⅳ值成反比，即Ⅳ越大，谐波含量越 小，反之亦然；(3)与M成反比，即调制比越大，谐波含 量越小，反之亦然；(4)与妒成正比，即功率因数角越大， 谐波含量越大，反之亦然。由图中可以看到，仿真曲线与 理论曲线的变化趋势是一致的，在一定的误差范围内， 理论计算值与仿真值存在少许差别是正常的。 由上述分析可知，死区效应对逆变器性能产生了许 多有害的影响，且死区时间、逆变器的开关频率、调制比 以及负载的功率因数等都会对其产生不同的影响。 (1)死区效应影响逆变器的输出基波电压。输出基波 电压随死区时间的增加而线性减小；功率因数越大，基 波幅值越小；开关频率越高，基波幅值下降越快。 (2)死区效应使逆变器输出电压波形增加附加谐波 (主要是带来低次谐波)，使输出电压产生较大的畸变。 △THD随死区时间的增大线性增大；功率因数越大，畸 变率越小；开关频率越高，畸变率越大；调制比越小，畸 变率越大。 因此在逆变器的设计上要综合考虑各方面的影响。 另外，死区效应带来的主要是低次谐波，而低次谐波的 抑制也较为困难，若采用滤波器会带来体积大、造价高 接第70页) 在设计过程中，CPLD能够有效地锁定发射阵列线 圈，传输效率最大的线圈组合，可以发出最合适的载波 频率，进行功率传输。当发射线圈的电感量发生微小变 化时，传输效率大大减小，而接收线圈的电感变化对传 输效率影响并不明显。在此基础上，实验结果证明，采用 电磁感应阵列的方案，用电器无论在何方位都能以最大 效率获得发送端送来的电能，从而解决了耦合电能无线 传输中，由于电磁场方向的不确定性导致耦合因子低下 的问题。 参考文献 【1】陈敏，周邓燕，徐德鸿．注入高次谐波电流的磁悬浮列 车非接触供电方法【J】．中国电机工程学报，2005，25(6)： 104一108． [2】王路，陈敏，徐德鸿．磁悬浮列车非接触紧急供电系统 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