无线供电技术（共7篇）
无线供电技术 篇1
引言
“无线供电”在普通人听来觉得很不可思议, 但是实际上这项技术并不算是一个新技术, 在日常生活中也是离我们越来越近了, 很多厂商已经将这个技术转换为了成熟的商业产品, 部分国外大型交通公共设施开始部署无线供电技术, 为旅客提供更加便捷的服务。目前正值我国“十二五”期间, 国家战略要求我们必须要走科学可持续发展的道路, 无线供电技术相比传统的有线供电技术而言, 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。同时由于省去了电线与插座, 无线供电可提供电力供应的范围更加广泛, 用户也有更高的自由度, 不用担心忘记携带充电器, 也不会被各国之间的插座制式所限制, 特别适合在机场等大型交通公共设施部署, 为来自世界各地的旅客提供随身电器的充电服务。
本文介绍了无线供电技术的起源和发展以及该项技术在国外机场应用的成功案例, 并探讨此项技术在国内机场的应用场景及由此带来的机遇与挑战。
1 无线供电技术简介
1.1 无线供电技术的起源
所谓无线供电就是利用无线电的手段, 将电力转换成为无线电波发送出去, 在通过特定的接收装置将无线电波收集起来并转换为电力, 供人们使用。早在一百多年前, 美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉!特斯拉在此领域做了深入研究, 为无线供电技术奠定了基础。
1.2 无线供电技术的现状与发展
无线电力传输是一种区别于有线传输的特殊供电方式, 经历一百多年的发展和科学家们的不断努力, 无线供电技术已经日益成熟, 其实现方式也有多种。目前它存在电磁感应、电磁共振和微波等不同的方式, 这三种技术分别适用于近程、中远程与远程电力传送。但每一种无线供电方式都有一些缺点, 从而限制了它的发展。
为了创造和促进市场广泛采用与所有可再充电电子设备的兼容性, 2008年全球首个推动无线供电技术的标准化组织——无线供电联盟 (Wireless Power Consortium, 以下简称WPC) 成立了。WPC推出的无线供电标准Qi, 采用电磁感应方式来实现无线供电, 具备便捷性和通用性两大特征。借助此标准, 可以能的统一电子设备的充电方式。传统的充电方式都要配备专用接口的充电线缆, 无论是IBM或Apple的笔记本, 还是Samsung或IPhone手机都有自己的标准, 谁也不愿屈服于别人的标准。有了无线供电的标准, 无论产品品牌是否相同, 只要有Qi的标识, 都可以用Qi无线充电器充电。它攻克了无线供电“通用性”的技术瓶颈, 在不久的将来, 手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电, 为无线供电的大规模应用提供可能。[1]
2 在国外大型交通公共设施的应用
2.1 日本羽田机场无线供电巴士
日本羽田机场于2008年2月试行驶了一种无需插头与电源线且不直接接触电源就能充电的新型混合动力巴士。这种巴士采用的是非接触式充电, 就是利用电磁感应原理及电能变换等技术, 以无线方式实现充电, 这使充电过程更加便捷。巴士只需停在设置在路面的电源线圈的正上方, 就能通过电磁诱导给车辆的锂离子电池快速充电。
据报道, 这种混合动力巴士的最高时速为80公里, 如果巴士仅使用电力运行, 充电一次可行驶约15公里。用于羽田机场第一、第二及国际航班的各航站楼间运营[2]。
2.2 赫尔辛基机场为旅客提供无线供电服务
芬兰赫尔辛基机场的旅客将会体验到一项新的服务, 无需使用任何电线, 他们就能为手机充电。这个项目是由芬兰的PowerKiss公司所支持的, 用户只需将一个名为iRing的小设备插到手持设备的充电口, 再将它们放在合适的平台就可以开始为设备充电。
该项目随后将应用于超过30家机场, 其中包括杜塞尔多夫机场、法兰克福机场、哥本哈根机场、曼彻斯特机场、巴黎戴高乐机场、斯德哥尔摩阿兰达机场、马拉加机场、日内瓦机场和苏黎世机场[3]。
3 无线供电技术在国内机场的应用场景
无线供电由于没有了线缆的束缚, 大大提高了它的便捷性和灵活性, 特别适合在人流量大, 人群集中的机场中部署。但究竟如何部署, 如何应用, 还需要进行更进一步的调查和研究, 以下给出了几种简单的应用场景供大家探讨。
3.1 移动充电站
在机场, 每天有大量的旅客经过, 很多旅客都有为手机或随身电器充电的需求。现有的手机充电站在数量上往往无法满足所有旅客的充电需求, 虽然目前国内已经统一了电源线的接口 (USB接口) , 但手机接口还没有统一, 即使配备了统一的USB接口, 对于旅客使用来讲, 仍然需要自己再带一根充电线缆。因此传统的充电站还必须配置尽可能全的手机充电接口类型, 还可能需要配置电池的万能充电接口。这样不但不方便, 还存在一定程度上的安全隐患。
在春运和节假日或特殊天气期间, 如果遇到航班延误, 在机场需要给电子设备充电的旅客将会成倍增加, 传统意义上的移动充电站由于存在充电接口数量的局限, 肯定无法满足旅客的需求。
采用无线供电就可以解决以上问题, 旅客无需任何线缆, 就能完成充电工作。同时, 也方便机场对充电设备的标准化。采用无线供电技术, 对于候机大厅和登机口等旅客较多的地方, 可以分区域多安置几个无线供电站, 那么就可以在同一时间为更多的旅客提供充电服务。旅客的需求得到了满足, 那么机场的口碑也随之得到提升。另外, 移动充电站上还可以加上航班信息和广告等服务信息, 供服务的同时也为机场创造收益。
3.2 商铺
目前在国外的很多星巴克咖啡店已经安装了无线供电设备, 让客人在享用咖啡和WiFi网络的同时, 只需将支持无线供电的手机放到桌子上, 就能为自己的手机补充电量, 轻松简便。随着技术的发展, 未来无线供电功率的增大, 几乎可以给任何电子设备进行充电, 顾客不但可以为自己的手机、PAD充电, 还能为笔记本充电, 顾客在店铺上网冲浪的同时, 就能完成对笔记本等用电设备的充电工作。
航站楼中餐饮类的商铺, 一般来说用户停留的时间越久, 消费的东西越多, 这种情况在咖啡厅的效果更为显著。如果在航站楼运营的商家可以提供无线供电的服务, 这本身就是一个值得宣传的噱头, 可以吸引更多的旅客到商铺体验, 带来更多的潜在消费者;再者旅客为了给自己的手机或其他设备充电, 势必会在商铺停留更长的时间, 无形中为商铺卖出更多的商品提供了更为便利的条件。在机场的商家可以借鉴国外的成功经验, 使用无线供电技术来吸引顾客, 提高收益。
3.3机场设备的供电
由于航站楼面积巨大, 部分区域可能传统电源因为诸多原因而不够使用, 或无法抵达, 而且某些需求只是临时的、一次性的, 为满足这部分需求去进行大规模的布线工程将会造成不必要的浪费, 这种时候无线供电技术将会是一种更好的解决办法。
比如在大面积旅客滞留的时候, 可能需要为旅客提供更多的航班信息, 而使用传统的电源则把服务范围限制在了有限的区域内, 使用无线供电技术配合机场自己的WiFi网络, 就可以将航班信息显示屏放置在多个区域, 更加方便灵活的为旅客提供更好的服务。
同样航班显示信息一样, 在机场其他类似的很多特殊需求均可以使用无线供电技术为旅客和员工提供更安全、方便的服务。
4挑战与机遇
虽然在技术上已经取得了一定的突破, 并且已经形成了产业联盟和技术标准, 但我们也应该看到无线供电技术要真正大规模在国内进行商业应用还需时日。首先各个电器生产商出于自身留住老客户的考虑, 充电器目前是故意与其他厂商不兼容的, 要改为无线供电必须要有足够的力量去推动, 或者是政府的力量或者是给予其巨大的利益;其次是要充分检验技术的电磁辐射对人体的影响问题, 虽然目前进行的一些实验表明这种无线供电技术对人体是没有伤害的, 但是始终涉及民众的身体健康问题, 必须慎之又慎;再次是功耗问题, 在不使用的情况下, 如何将功耗降到最低, 避免不必要的浪费, 这些标准和技术还需要各方力量进行研究。
虽然有诸多需要改善的地方, 但我们还是要看到无线供电技术前景是十分光明的, 无线供电必将成为未来的趋势, 美国苹果、谷歌公司等电子产业巨头也纷纷申请了无线供电的相关专利, WPC也承诺将率先在中国推行无线供电, 国内手机厂商Oppo和步步高vivo也宣布其即将推出的旗舰机型也将带有无线供电功能, 诺基亚最新的Lumia920已经支持基于Qi标准的无线供电功能。无线供电不仅能够让我们彻底摆脱各种各样的充电器, 而且可以做到家居的美观整洁, 使大家的生活更加方便快捷。预计两到三年后, 在飞机场、火车站、宾馆等公共场所将逐步安装使用无线供电技术的终端, 只要是支持无线供电的产品, 无论是手机, MP3、PSP、笔记本、掌上电脑等, 都可以方便的充电。
笔者在本文中提出的应用场景不仅适用于机场, 也同样适用于其他的大型基础设施建筑, 当然, 笔者作为首都机场的一员也希望首都机场在未来可以利用无线供电这项技术为旅客提供更加贴心的“中国服务”。
摘要：无线供电技术相比传统技术有着很多的优势, 特别适合部署在机场等大型交通公共设施, 为旅客提供服务。本文介绍了无线供电技术的起源和发展以及该项技术在国外应用的成功案例, 并探讨此项技术在国内机场的应用场景及由此带来的机遇与挑战。
关键词：无线供电,机场,应用场景
参考文献
[1]李妍.Qi, 开启“无线充电”生活.中国经济周刊, 2010年9月13日, 66-67页
[2]非接触式充电混合电力巴士今起投入试运营[O L]h t t p://n e w s.x i n h u a n e t.c o m/newscenter/2008-02/15/content_7612480.htm
[3]机场无线充电时代的来临.中国航空采购, 2011年3/4月, 10页
[4]陈忠民.摆脱电线束缚, 拥抱无线供电时代.微型计算机, 2007年8月下, 104-107页
[5]Making wireless truly wireless[OL]http://www wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/making-wireless-truly-wireless/
电磁耦合理论的无线供电技术探讨 篇2
关键词：电磁耦合理论,电能,无线供电技术,探究
1 引言
传统的供电技术是通过导线连接, 而电池采用的是插头式的方法进行充电, 经常拔插插头可能会产生电火花, 假如处于一种易燃易爆的环境, 传统的供电技术将会有很多不足之处。随着科学技术的发展进步, 人们对生活的水平也在不断提高, 无线供电技术应势而生。利用电磁耦合理论的无线供电技术可以对电能进行无线传输, 不再受插头、导线等的束缚, 可以更方便、安全的使用电能。电磁耦合理论的无线供电技术对人类的生存和发展带来了极其重要的影响。
2 电磁耦合理论的无线供电技术的内涵
首先我们应该知道, “耦合”是指两个或两个以上的电路元件或者电网络的输入和输出之间存在紧密配合和相互影响, 并且可以通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象, 换句话说, “耦合”就是指两个真实物体相互依赖于对方的一个量度。“电磁耦合”就是指变化的电磁产生磁场, 变化的磁场会变为电场, 磁场和电场的相辅相成、相互影响。
电磁耦合理论的原理和变压器的原理类似, 主要是通过电磁耦合, 然后利用线圈或者铁芯传递磁通, 从而产生感应电动势。电磁耦合理论的无线供电技术结构特别简单, 可以投入到实际生产中, 因此在我们的生活中有了很多应用实例, 比如说无线电动牙刷等。
3 电磁耦合理论的无线供电技术的传输性能
电磁耦合理论的无线供电技术的传输性能, 受多方面参数的影响, 这些参数有着互相联系又制约的关系。下面我们对影响电磁耦合理论的无线供电技术传输性能的多个参数, 进行逐一分析:
3.1 耦合系数K
耦合系数K的决定因素主要有:原副边线圈的内部结构、材料特性、原副边线圈间空隙大小、线圈以及磁芯材料、绕组位置等多方面的。
3.2 原副边线圈距离
在电磁耦合理论的无线供电技术的系统中, 原副边线圈的距离明显的影响着接收线圈所接收能量的效率。原副边线圈距离增加, 磁动势不能被接收线圈正常的接收, 工作效率大大降低。因此, 电磁耦合理论的无线供电技术在实际应用中, 应该选择合适的供电距离, 这个距离必须保证接收线圈的接收效率不发生明显的变化, 这样做可以提高电磁耦合理论的无线供电技术系统的稳定性。而且刚才提到的耦合系数K和原副边线圈的距离有着反比的关系, 但是当距离大于100m m时候, 耦合系数K趋于稳定, 因此, 在原副边线圈距离的选用上应该选择大于100m m的。
3.3 磁芯材料
在电磁耦合理论的无线供电技术系统中, 对磁芯材料的选择也是十分重要的。合适的磁芯材料可以有效的降低能量传输过程中间的能量消损, 磁芯材料还可以增强接收线圈对磁能量的接收能力, 有效的提高性价比。
一般来说, 在磁芯材料的选择上, 我们应该考虑到磁导率、电阻率、饱和磁感应强度等很多方面。
3.4 漏感
所谓“漏感”, 是指电机初次级在耦合的过程中漏掉的那一部分磁通。电磁耦合理论的无线供电技术系统中原副边耦合存在着漏感。在电磁耦合理论的无线供电技术系统中, 漏感应该是越小越好, 但是随着原副边线圈之间的气隙的增大, 漏感也会随着增加, 造成穿过次级线圈的磁通大大减少, 次级的感应电动势也随之减小, 这样可以大大的降低了电磁耦合理论的无线供电技术系统的传输效率。因此, 要调高原边线圈输入电流的变化率, 从而增加磁通量的变化率, 实现感应电动势的增加。
在电磁耦合理论的无线供电技术系统中, 原、副边电路互相依赖, 传输性能受很多参数的影响, 各参数互相影响互相制约。总的来说, 要想有效的提高电磁耦合理论的无线供电技术的电能传输效率, 可以通过提高耦合系数K来实现, 还可以改变通过外部电路的结构, 然后选用合适的频率, 增加原副边距离来补偿电路。
4 电磁耦合理论的无线供电技术的特点
4.1 供电距离短
由于电磁耦合理论的原理和变压器的原理类似, 发射线圈与接收线圈的距离的扩大, 会迅速减弱磁感应强度, 从而使得电能的传输效率也迅速降低。一般情况下, 电磁耦合理论的无线供电技术应用在供电距离不超过10cm这一方面。
4.2 频率低, 干扰小
电磁耦合理论的无线供电技术采用的是千赫兹电磁频率, 和电磁波式的无线供电技术的千兆赫兹频率相比较, 频率低, 这样可以降低电磁辐射, 从而减少对人体以及其他电磁设备的干扰力。电磁耦合理论的无线供电技术的这一特性, 决定了它可以用于多个电磁设备的系统中。
5 总结
本篇文章对电磁耦合理论的无线供电技术内含、传输性能、特点等很多问题进行了介绍和探究。在当今社会中, 无线供电技术是一个新型的有探索价值的领域, 应该加强对这方面的研究。电磁耦合理论的无线供电技术作为当今无线供电技术的一种重要方式, 我们应该充分利用它的优点。总的来说, 电磁耦合理论的无线供电技术为我们当今人类的生活带来了很多便利, 美观, 并且减少了电线以及插座等的束缚, 提高了电能使用的安全性。
参考文献
[1]邓亚峰, 薛建国, 张绪鹏.双增强线圈电磁谐振式无线供电系统研究.机械设计与制造, 2012.
[2]胡红波, 潘孝平.急救装备无线供电模块的设计.医疗卫生装备, 2013.
[3]吴枫.物联网传感节点的无线供电技术研究.单片机与嵌入式系统应用, 2012.
无线测温技术在供电系统中的应用 篇3
一、供电系统存在的问题
通过对大量电力事故的统计分析, 引起供电设备故障的直接原因主要是各种高低压开关柜内部触头, 变压器、母排、电缆的接头等, 因制作质量不良、压接不紧、材质老化、接触电阻增大, 在负荷增加时出现接头过热、甚至烧穿。接头的质量好坏, 只能在运行中发现, 而且运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。为了对这些容易发热的触头、接头、电力设备进行跟踪监控, 兴隆庄煤矿35kV变电所安装了无线测温预警系统, 即在每个需要监测的点上各安装一个温度传感器, 温度传感器把采到的温度转换为无线信号发送给无线接收终端, 由无线接收终端完成数据的转换, 并由面板显示测到的温度或由测温工作站显示和存储。
二、无线测温预警系统的构成
1. 系统拓扑图
(图1)
2. 系统主要设备
(1) 无线温度传感器。在每一个需要监测温度的节点上安装一个无线温度传感器, 该传感器每隔设定时间自动测量所在位置的温度, 并将测得的温度数据发送给测温通信终端。
(2) 测温通信终端。自动接收无线温度传感器发送的温度数据, 并在收到测温工作站的读取命令后把收到的数据上传测温工作站。
(3) 测温工作站。测温工作站为一台工控计算机, 在该计算机上运行专用软件, 用来定时读取和存储从通信终端中收集的温度数据。
(4) 测温管理中心。测温管理中心是一套专用测温管理软件, 可在连接到企业的网络上的任意一台计算机上运行。
三、预警系统主要功能
1. 无线温度传感器
(1) 无线温度传感器功能:
(1) 每个温度探头具有唯一的ID号, 当无线传感器发送被监测点温度的同时, 把其自身的编号 (ID号) 也传输出来, 这些数据最终被传输到计算机时, 计算机根据事先在数据库中保存的传感器编号与安装地点, 自动确定各监测点的温度。这一特点非常适合运行中心具有大量监测点的应用, 提高了系统的自动化程度, 减轻了人工测温时的繁琐工作。
(2) 无线温度数据传输。传感器与测温终端之间的无线连接, 既方便了系统的安装与维护, 又减少了对电网安全运行的影响, 使系统的安全性、灵活性得到极大提高。无线通信选择工作于ISM工作频率, 对人体无伤害、对周围设备无电磁干扰, 符合FCC标准和国家无线管理规定。
(3) 每天24h连续在线监测。传感器每隔一定时间自动发射一次监测点的温度数据, 计算机实时收集并记录所有监测点的温度数据, 发现异常立即报警。解决了试温片、红外等测温方法需要人工到现场巡视、扫描造成延误而引起的故障。
(2) 无线温度传感器特点:
(1) 实时性。温度采集时间间隔可以按秒级设定, 保证数据的记录、分析及时准确, 为设备检修、生产调度等提供可靠依据。
(2) 低功耗。采用高效电池供电, 保证可靠运行6年以上。
(3) 准确性。测量精度可达±1℃。
(4) 系统性。可与电力系统综合自动化系统融为一体, 扩充现有系统功能, 实现数据共享, 便捷管理。
(5) 安全性。等电位、单点、绝缘安装, 没有任何连接导线, 方便安装维护, 且系统具有极高的安全可靠性。
(6) 低成本高效益。使用该系统后, 可以节约购置昂贵的测温仪 (如红外成像仪、点式测稳仪等) ;可以节省人员, 提高工作效率;有的放矢地开展设备维修, 减少维护工作量;减少事故。
(3) 无线温度传感器技术指标:
(1) 测量温度范围:-25～125℃。
(2) 测量精度:±1℃。
(3) 测温时间间隔:1s～10min可设定。
(4) 探头使用寿命:大于6年。
(5) 工作频率:915MHz (免申请) 。
(6) 最大发射功率:≤10MW。
(7) 最远传输距离:≥100m (无阻挡) 。
(8) 探头尺寸:35mm×35mm×45mm。
2. 无线温度接收终端
(1) 无线通信终端功能特点:
(1) 界面人性化设计。中文面板, 操作简单。
(2) 安装方便。可以在开关柜上, 也可以固定在墙壁或其他物体上。
(3) 抗干扰能力强。能够准确识别和接收探头发出的温度信号, 而不受其他设备的影响。
(4) 传感器与测温终端之间采用无线连接。无线连接既方便了系统的安装与维护, 又减少了对电网安全运行的影响, 使系统的安全性、灵活性得到极大提高。
(5) 无线通信选择工作于ISM工作频率, 对人体无伤害、对周围设备无电磁干扰, 符合FCC标准和国家无线管理规定。
(6) 可扩展性。每个测温接收通信终端最大容量可接收100个测温探头;给以后扩容留有足够的空间, 而无需增加新的接收装置。
(2) 无线通信终端技术指标:接收频率915MHz;接收灵敏度-100dBm;功耗<1W;管理探头数量最多100个;与管理主机传输协议为Modbus协议;终端地址设置范围为1～250号;与管路主机的电气接口RS-485;终端报警方式为蜂鸣器报警或外接报警设备;工作电压AC220V±10%, 50Hz或60Hz;继电器承受负载最大交流250V, 7A;尺寸96mm×96mm×115mm (WTR-10) , 180mm×125mm×36mm (WTR-20) ;开孔尺寸92mm×92mm (WTR-10) ;重量为0.5kg (WTR-10) , 0.6kg (WTR-20) ;环境温度-20～65℃。
四、测温工作站功能特点
测温工作站为一台工控计算机, 在该计算机上运行专用软件, 用来定时读取从通信终端中收集的温度和ID数据, 并写入本地硬盘中作长期保存。对数据进行处理、维护, 异常报警, 以及温度变化趋势分析。
(1) 能通过工作站实时、直观地观察到开关柜内断路器一次插头和电缆接头等电气接点运行温度的变化情况。
(2) 通过对所有现场检测到的数据, 能自动生成开关柜内一次插头和电缆接头指定时间段的温度变化趋势、历史事件统计, 以及所需要的曲线图和图表。
(3) 系统能够对所检测到的数据进行分析, 提前预知和判断以后多少天内开关柜内一次插头及电缆接头出现故障并形成报表, 详细显示故障点的位置并打印报表。
(4) 报警温度可以根据用户的实际情况自行设定, 对到达预警值和越线值的监测点能进行声光报警显示报警点的具体位置并记录在案。报警值的设置有两种方式: (1) 相对报警温度。指当温度传感器的测量温度比终端测量的环境温度高出多少即认为异常, 需要报警。取值范围:0～60℃; (2) 绝对报警温度。指当温度传感器测量的温度值达到多少度后即认为异常, 需要报警。取值范围:10～100℃。
(5) 能对报警事件实时打印记录, 可以实现历史的查询。对监测点的预警值、报警值能在线修改, 对传感器的故障能进行在线诊断并显示打印。
(6) 系统具有强大的扩展功能, 当新设备纳入检测范围时, 仅增加相应的新设备接入即可, 原系统不受任何影响。
(7) 控制中心的计算机网络系统可以实现远程通信、无人职守、数据可以接入企业网。
(8) 软件操作简单, 易维护, 非专业人员只要是稍加培训就可以对系统进行配置和修改。
摘要：主要论述无线测温技术在兴隆庄煤矿35kV变电所的应用情况, 通过安装无线测温预警系统解决了供电设备因故障给矿井安全生产带来的困扰, 为矿井安全生产提供了强有力的保障。
高效无线供电模块设计研究 篇4
整个模块设计可以分为两部分:电能发射端和电能接收端。其示意图如图1。
经过整流滤波电路将220V的交流电转变为直流电,然后通过高频逆变电路的谐振变换,将直流电变为高频交流电,再由发射线圈将该交流电流转变为辐射电磁波向周围发射,根据电磁感应原理,接收线圈处于周围变化的磁场中,因此,产生一定的感应电动势,产生的感应电动势是通过前级交流电转变而来的,所以,接收线圈得到的也是交流电,该交流电经过整流变换电路得到直流电,实现了电能的无线传播。
2 整流变换电路
在整个模块结构中,整流滤波电路和整流变换电路是两个功能类似的电路,同时,也是此次设计要解决转换效率的关键。由此提出了以下解决方案,如图2所示。
为了提高AC/DC开关电源的转换效率,可以把DSP模块作为控制的核心,直接利用输入的交流电来进行斩波,然后通过同步整流进行输出,这种形式的开关电源没有整流桥、滤波电容和APFC等电路来进行处理。利用DSP来控制PWM的波形,主要是通过采样计算变压器初级峰值电流和输出电压来完成控制。为了保证整个AC/DC变换电路有比较高的转换效率和功率密度,同时获得较高的输入功率因数和较低的谐波含量。在不同的负载条件和输入电压情况下,通过自动调整开关频率和死区时间,让变换电路在最高效率状态工作,此软开关控制效果可为最佳。其中,功率驱动模块主要是隔离驱动,经过DSP输出的PWM波行信号,而功率驱动模块、DSP模块所需的直流电源主要由辅助电源模块提供。
图3所示,AC/DC功率变换模块的电路结构和典型的半桥变换电路类似,典型半桥变换电路的上下桥臂为N沟道增强型MOS开关管,本文所采用的电路特点是通过两个N沟道增强型MOS开关管进行反向串联,以此构成交流开关,对前级的输入交流电压进行斩波。这样可减小功率变换级数,降低功率损耗,但却提高了变压器初级MOS开关管的漏源耐压值和输入电压峰值。
3 逆变电源的实现
生成PWM波技术当正弦幅值较高时,PWM波输出的脉宽较宽。为了简洁直观地表示PWM波形生成过程,下面利用三角波发生器和正弦波发生器来进行模拟演示,如图4所示。
本设计的理论依据为不对称规则采样法,即编写一个PWM波形的闭环控制程序。其中采用异步控制方式来进行程序编写,而整个程序的载体即是DSP模块,最后在其两个控制波形区间加入一段死区时间来实现软开关。
4 电磁感应实现无线电能传输
本设计模块通过两个线圈的互感耦合来实现电能的传输。变化的电场和磁场交替传递感应,电能和磁能也由初始的发射端到达最终的接收端。整个系统中,电能的传输都是由发射线圈和接收线圈之间的互感来完成的。所以,掌握和熟悉线圈的互感耦合分析方法是十分必要的。
图5所示,把两个由电感线圈构成的互感耦合回路看成是电能传输的发射部分和接收部分。其中12V的电压源、电感L1、等效电阻R1代表发射端回路,电感L2、等效电阻R2、负载电阻RL代表接收端回路,由此,两回路构成了传输电能的互感耦合回路,而两个线圈之间的互感系数为M,此互感系数的大小取决于两个线圈的几何形状,大小、相对位置、各自的匝数以及它们周围介质的磁导率。
整个无线供电模块的设计经过了数次的试验,取得了较好的数据反馈和直观体验,根据负载设备的电压和电流要求的不同,改变此模块的元件参数。试验数据显示,无线供电模块的发射端和接收端的有效距离控制在2m以内效果较好,有一定的应用价值,但要广泛地应用还需不断地试验改良。
摘要：提出一种高效的无线供电模块设计方案,该设计结合了现有的D SP技术、电磁感应技术和开关电源技术,提高了开关电源的转换效率,并省去了电源线。由于传输距离受限,其应用价值还比较有限,然而整个模块的电路设计使其工作稳定、结构简单、信号接收端微小化,基本符合实际应用的可接受度。
关键词：高效无线供电,D SP技术,电磁感应
参考文献
[1]周志敏,周纪海,纪爱华.开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[2]王增福,李昶,魏永明.软开关电源原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[3]孙再吉.无线充电技术的发展[J].半导体信息,2010,(6):18-19.
[4]杨民生,王耀南.新型无接触感应耦合电能传输技术研究综述[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2010,(3):44-53.
耦合谐振式无线供电系统研究 篇5
关键词：无线供电,耦合谐振,中继谐振线圈,传输距离,传输效率
0 引言
无线供电系统作为一种新型供电系统, 在安全快捷性能上与传统的有线输电系统比较具有显著优势, 而在无线供电方式中由于耦合谐振供电技术能够实现中等传输距离以及高效率传输, 因此在安全性和可靠性等方面比其他传输方式更有优势。研究表明发射线圈和接收线圈直径的增大, 可以有效提高传输距离, 但大尺寸线圈又容易受到环境的限制;虽然减少发射端和接收端的负载能够提高传输距离, 但增加线圈电流强度的同时使得电感线圈的功率增大, 使得传输效率变低。而使用高无载Q值的线圈谐振器虽然能够降低线圈损耗来弥补自身效率较低的情况, 但是相应的成本又较高。本文通过分析来验证添加设计的无源中继谐振线圈可以有效降低负载以及线圈的能量消耗。使得各模块在系统运行过程中消耗少量的系统能量, 实现提高无线供电系统传输距离和效率的目的。
1 无线供电系统的原理及特点
1.1 无线供电基本原理
无线供电系统从基础原理来说, 其源自于1889年由物理学家尼古拉.特斯拉提出的无线电力传输技术。目前发展的无线供电技术从技术层面上分析一般有两种拓扑结构, 其一是利用2个线圈进行无线电能传输, 称为两线圈结构;另一种为了满足电源的匹配以及实现相应系统的负载匹配, 在原有的2个谐振线圈基础上添加2个感应线圈, 使电源和发射线圈以及负载与接收线圈有效隔离, 我们称这种结构为四线圈结构。
1.2 无线供电系统特点
耦合谐振供电系统其技术可追溯到美国麻省理工大学 (MIT) 的科学家在2007年首次提出的磁耦合谐振技术, 其基本原理是利用两个具有相同本征频率的谐振线圈, 在一定的距离条件下, 通过在本征频率处耦合谐振, 达到电能传递的目的。近年来无线供电技术被广泛利用, 但目前来看, 无线供电技术尚未成熟还处于初级阶段, 很多问题有待解决, 而目前开发出来的无线供电系统的传输距离和功率都较低, 如何提高无线供电系统的传输距离和功率成为现在无线电能传输技术的一个瓶颈。
2 整体设计方案
本文研究的无线供电系统使用的中继线圈是在传统两线圈式无线供电系统上, 在发射和接收线圈中间加入一个尺寸、参数与发射和接收线圈完全一样的中继线圈, 其位置位于发射线圈和接收线圈中间, 同时三线圈的高度满足同轴平行。加入的中继线圈上需要接有谐振电容, 以便保证中继线圈谐振频率与发射和接收线圈保持一致, 满足发射-中继-接收三个线圈处在相同的状态实现谐振耦合。中继线圈上的寄生电阻在系统运行过程中损耗少量能量, 可以忽略不计。中继线圈的作用是将发射线圈发出的变化的磁场耦合到中继线圈上, 然后中继线圈与接收线圈之间再次耦合, 将电能传递到接收线圈, 实现电能从发射端到接收端的传输。最后由接收端的整流与调整模块接收并且提供给负载使用。
由耦合谐振供电系统原理可知设计要求发射线圈, 中继线圈以及接收线圈必须本征频率相同才能达到最大传输效率。同时要使得电磁能量高效率的传输到接收线圈, 合理的设计各无线供电模块以及优化各项数据也可使得系统传输距离和效率有效稳定提高, 其原理与作用也可以由前文提到的两种拓扑结构得到。
3 无线供电系统结构分析
在基础的无线供电系统中分析线圈的拓扑结构, 从增加线圈的角度出发, 通过增加一个线圈的方法, 来研究和设计其传输和效率问题。从量子力学的电磁理论上分析出磁场能量传输按照曲线路径传输, 而不是跟没有中继谐振线圈的无线供电系统那样直线传输, 其曲线传输有利于接收线圈接收磁场能, 因此可以得到增加一个线圈可以有效的提高传输距离和效率。当接收线圈存在偏移现象时, 我们可以通过调整中继线圈的方向或者改变它的参数等来使得传输效率增加。传统的两线圈式无线供电系统在电能的传输距离和效率上都相对不高, 而增加一个中继谐振线圈在保持电能传输的同时还可相对的提高传输距离和传输效率。其等效电路模型如图1所示:
4 系统软件设计
通过matlab仿真可以得到距离, 频率, 以及效率等各数据之间的关系, 通过图像比对进行比较加入中继谐振线圈和没加入中继谐振线圈的无线供电系统其传输效率和传输距离之间的差别, 得到加入中继谐振线圈的无线供电系统比没加入中继线圈的系统在传输距离和效率上有显著提高。
5 结语
本文从耦合谐振无线供电系统的定义以及结构出发, 通过对加入中继谐振线圈的无线供电系统基本结构和工作原理的阐释, 得到加入中继谐振线圈可以有效率提高传输距离和效率。
参考文献
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无线供电技术 篇6
微波输电主要包括3个部分,微波源、定向发射天线、接收整流天线。整流天线[4,5,6,7]是其中的重要组成部分,其主要作用是将空间中接收到的微波能量转换为直流电提供给负载。而整流天线决定单个天线接收到的功率容量及整流效率,对整体的传输效率有决定性作用。本文将利用ADS高频电路仿真软件[8]设计出一款工作在2.45 GHz的印制偶极子整流天线[9]。
1 整流天线的仿真与设计
整流天线包含4个部分,接收天线、输入低通滤波器、整流电路及输出滤波器。单个整流天线的接收功率一般比较低,要实现大功率的电能传输必须将整流天线组合为整流天线阵列,故将接收天线与其他部分分开设计,整流天线单元便可以自由组合实现整流天线阵列[10,11]。
1.1 接收天线的设计
考虑到制造成本,天线基板采用最常用的FR4板材。板材基本参数:介电常数4.5,厚度1.6 mm,铜厚1 oz(35μm),损耗角正切值tanD=0.018。天线结构图如图1所示。使用基本公式计算天线尺寸并建模,在此模型的基础上修改某些会影响到天线参数的尺寸,进行反复调节、仿真、验证。
一般来说,偶极子天线由5部分组成,分别为天线臂、微带巴伦线、接地板、馈电线及通孔[12]。图2为印刷偶极子天线和微带巴伦线的等效电路。
接收天线要与后续的滤波整流电路相连,所以要求接收天线的特性输入阻抗为Zin=50Ω。天线谐振频率为2.45 GHz,基板的参数也已知,根据公式计算可初步得到偶极子天线的各部分尺寸,根据此尺寸在ADS Layout中建模。实际使用时,偶极子天线实用SMA接头与后级滤波整流电路相接,为更加真实地模拟实际环境,按照SMA接头的尺寸在馈电线的底部左右加上两个焊盘,焊盘的底部通过方形孔与接地板连接。
对天线仿真时设置基板参数极为重要,这关系到仿真环境与实际环境是否相似,关系到天线实际工作时是否与仿真时一致。在EM中将FR4基板参数设置为介电常数4.5,厚度1.6 mm,铜厚1 oz(35μm),损耗角正切值tanD=0.018。基板的上下均设为自由空间,在基板的cond与cond2两层均铺上厚度为35μm、电导率为5.8×107的铜导体,在FR4基板上映射为hole层。Mesh网格密度设定为40(数值越大精度越高),仿真后发现频率为2.45 GHz时S(1,1)=-18.192dB,输入阻抗Zin=61+j8.15,通过观察Smith原图及S(1,1)曲线图可知,谐振频率点偏高,计算所得的尺寸需要修改。
ADS提供了EM模型的尺寸优化功能,选择wd,wb,ld作为优化尺寸,将EM中的layout模型生成一个单独的元件调入到原理图中,设置Goal控件进行仿真,仿真完成后更新wd,wbld的尺寸,返回layout中再次仿真,仿真及实物实测的wS(1,1)曲线如图3所示,其横坐标为频率,单位为GHz;纵坐标为反射系数S11的幅值,单位为dB。
此时频率在2.45 GHz时的仿真S(1,1)为-40.901 dB,实测为-29.889 dB,吻合度较高。由仿真S(1,1)Smith原图得到输入阻抗为(50.9+j0.002)Ω,非常接近50Ω,而实测阻抗为(48.6+j0.725)Ω。可见,加工精度与SMA接头的焊接影响了天线的部分参数性能。天线结构图与实物图如图4～图5所示。偶极子天线各部分几何尺寸如表1所示。
偶极子天线各部分几何尺寸如表1所示。其中r为孔径的半径,根据SMA接头尺寸焊盘设置为1.4 mm×4 mm,焊盘底部加过孔连接到地板。
1.2 整流电路及输出滤波器设计
二极管是非线性器件,其参数影响到整个整流电路的尺寸及效率,选用HSMS281B作为整流二极管,其主要参数为BV=25V,Cj0=1.1 pF,Rs=10Ω,Imax=400 mA。在设计电路时希望从二极管输入端看上去阻抗为纯电阻,为了保证低通滤波器良好性能,需要在二极管后面加一个长度为λ/4的特性阻抗变换器,末端加一个1nF的电容,λ/4阻抗变换器与电容形成了整流电路的输出低通滤波器,考虑到二极管的寄生参数后的ADS原理图如图6所示。
加入理想高通滤波器的原因是阻止原理图中的直流回流进端口1 (即天线),使用S参数扫描后得到整流二极管与输出滤波器的输入阻抗为(8.15-j0.35) n。使用单枝节匹配电路进行匹配,使用目标控件对匹配电路长度进行优化,宽度设置为2.99 mm。优化后更新匹配电路尺寸再次仿真,得到S(1,1)为-64.224 cdB,输入阻抗(49.95+j0.05)Ω。由于电容C1足够大,从二极管端看进去的输入阻抗不会随着负载的变化而变化,所以即使负载变化,整流电路及输出滤波器的特性阻抗不会变化。
1.3 输入低通滤波器设计
输入低通滤波器采用椭圆滤波器,此滤波器在实现相同要求的情况下尺寸较切比雪夫滤波器或者巴特沃兹滤波器更小,更符合小尺寸的整流电路要求。利用ADS工具中滤波器设计功能设计1个5阶椭圆滤波器,将生成的集总参数元件滤波器转变成分布参数滤波器。由于整流电路使用SMA接头与天线连接,在滤波器的前端加入一段长为4 mm,宽为1 mm的微带线,在滤波器的后端加入一段长为2.5 mm宽为2.99 mm的微带线,在原理图窗口中设置目标控件再次进行优化仿真,仿真模型图如图7所示。
仿真完成后更新参数并且生成layout版图,在版图中再次仿真,结果如图8所示,其横坐标为频率,单位为GHz;纵坐标分别为S(1,1)、S(2,1),单位为dB。由图中可以看出S(1,1)与S(2,1)满足设计要求。
将输入滤波器、整流电路及输出滤波器连接起来,设置单枝节匹配电路的微带线的长度为优化值。在原理图中进行仿真优化,更新优化值之后生成layout版图,同样利用ADS版图与原理图联合仿真功能进行仿真,联合仿真优化建模如图9所示。
设置单枝节匹配电路的3个长度为优化值,设置目标控件进行优化,结束后更新优化值,最终得到的版图及实物图如图10所示,添加了SMA焊盘及接地区域之后的实物图如图1 1所示。
在联合仿真图中,加入微波源代替偶极子天线,阻抗为(50.9+j0.002)Ω,频率为2.45 GHz。使用谐波扫描控件,设置输入功率从0～30 dBm区间变化,对整流天线的整流效率进行仿真验证。整流二极管的转换效率定义为ηd=Pdc/Pin,其中Pdc为整流电路提供给直流负载的功率,而Pin为二极管的输入功率。图12为二极管整流效率仿真曲线,横坐标为负载电阻,纵坐标为整流效率功率扫描从0～30 dBm,可以看出,随着功率的增加二极管的整流效率随之提高,随着负载的增大整流效率会先升到一个顶点后缓慢下降。当输入功率为30dBm,负载值为250Ω时整流效率达到最高为73.9%。
2 实验验证
将天线支撑在支架上,支架上固定一块金属板反射微波提高天线的接收效率,天线的正反面如图5所示。扬声器天线发射的微波是垂直极化波,为了验证线性天线不同的安装方向接收微波的效果,设置两种位置方式的天线如图13所示。
将接收天线放置在距离扬声器天线50 mm的位置,使用信号发生器+初级功率放大器+驱动级功率放大器+末级功率放大器的形式产生微波功率,如果改变信号发生器的输出功率,则可以改变功率放大器的输出功率及整流天线的接收功率。
若使用远区功率传输的傅里斯公式可以大致得到接收天线接收到的功率,但是对于实际结果来说依然会有误差,在此将整流电路取下,只将接收天线固定在反射板上,改变微波输出功率,使用频谱仪观测与记录接收天线在每一个输出功率下的接收功率,记为Pin。再将整流电路接上,再一次连续改变微波输出功率,测量负载端的电压值进而计算整流之后的功率值。
整流电路的整流效率为
式中:η为整流电路的接收整流效率;PDC为直流负载的功率;Pin为测量的接收天线的接收功率;VDC为负载端电压;RL为负载阻值。
实验结果显示,左边的天线安装方式(天线平面平行于扬声器口平面)效果好于右边的安装方式,故以下数据均采取左边天线安装方式的实验数据。图14表示实测不同输入功率及不同电阻负载与整流电路整流效率的关系曲线,横坐标为天线输入功率,纵坐标为整流效率。可以看出,在输入功率为27 dBm、负载为250Ω时整流效率达到最高为72.7%;而功率为30 dBm、负载为250Ω时整流效率为68.5%与仿真时结果略有出入,应该是天线与整流电路的制造工艺与SMA接头的焊接引起。测量负载端电压值为7.02 V,计算功率值为197 mW。
单个天线得到的功率过小,在实际应用中,为了提高空间中微波的利用率必然将使用整流天线阵列。为了进行整流天线阵列的实验,笔者制作了9个整流天线,分别对其进行测试,结果显示每个整流天线的效果不同,同一个负载输出的电压并不一致。分析原因可能有:1)整流电路中二极管及SMA接头的焊接影响了基板的介质参数导致阻抗发生变化;2)所购买的整流二极管可能参数不尽相同。而每个整流天线的效果不同会导致其并联时输出功率会下降。
实验中笔者将9个整流天线进行并联,负载选择为27Ω(9个250Ω并联之后的阻值),整流天线阵列的面积为15cm×20cm将距离调整为500 mm,调整扬声器天线的输出功率使整流天线的入射功率为27 dBm,测量负载端电压值为6.47 V,计算功率为1.55 W。而按照整流天线并联原理计算负载功率值应为1.773 W,实际功率小于理论值。
3 结论
本文使用印制偶极子天线、椭圆滤波器、二极管HSMS281B及各种匹配电路完成了2.45 GHz的整流天线,仿真与测试结果基本吻合,整流效率在输入功率为27 dBm、负载为250Ω时达到最高为72.7%。如果想要提高整流天线的功率,将单个整流天线组合为整流天线阵列即可,缺点是增加了整流天线的面积和成本。如果对整流天线效率再优化,将提高单个整流天线的输出功率;如果在室内加装反射板,则室内的微波能量终将会被整流天线接收并整流。这样的话,人们就可以在室内随处走动的情况下依然可以为手机、平板电脑等进行无线充电,而不是像现在这样只能在固定的位置、很短的距离内为手机充电。
摘要：智能家居热度不减,而家用电器的无线供电也是人们研究的热点。微波无线能量传输具有定向性好、传输距离远的特点,在无线输电领域具有广泛的研究前景。通过仿真计算确定印制偶极子天线的基本参数,完成了偶极子天线的设计和制作。以印制偶极子天线为微波的接收天线,结合椭圆滤波器和整流二极管等制作的整流电路,完成了2.45 GHz频率下的微波输电实验。实验获得了72.7%的RF-DC整流效率及197 nW的直流能量,为家用电器的无线供电提供了一种可供探索的方式。
关键词：智能家居,微波无线供电,偶极子天线,整流阵列
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无线供电技术 篇7
目前我国高速公路全长突破2万公里, 居世界第二, 而高速公路上车流量大, 长时间行驶时, 又不能随时下车检测轮胎温度, 从而存在高温爆胎的危险, 而爆胎是给汽车行车安全带来极大危害的一种突发故障。据有关部门对高速公路上的交通事故的统计发现, 40%的交通事故是由轮胎发生故障引起的, 其中爆胎引发的事故就占了70%以上。由爆胎引发的事故造成人身财产的巨大损失, 车毁人亡的概率很高, 我国每年3万人死于汽车爆胎。引起爆胎的原因有很多, 大部分都是长时间运行, 轮胎反复变形, 由于能量损失而发热, 橡胶又是传热的不良导体, 热量难以散发, 胎体温度急剧上升, 内压增高, 而高温下的轮胎外胎与内胎的材料机械性能下降, 胎面橡胶层的弹性难以恢复, 抗拉强度降低, 使帘线达到抗拉强度极限时, 帘线断裂, 轮胎爆胎。在这种情况下, 能够及时测出轮胎温度就显得很重要了。本装置就可以解决这个问题, 在驾驶室里就可以知道轮胎实时的温度, 防止事故的发生。
1 技术路线
1.1 自供电部分
和所有的发电机的基本原理一致, 其工作原理也是导线切割磁感线产生感应电动势为温控装置供电。具体方法是:在汽车轮子的旋转部位安装多级磁铁, 同时, 在固定部位轮辋上安装温控监测系统。汽车在行驶过程中, 整个装置便可顺利工作。
1.2 发送部分
发送部分由温度传感器18b20、单片机AT89C2051以及无线收发装置NRF905组成。这部分工作流程为, 传感器在单片机的控制下完成一次温度测量, 测量结果放在DS1820的暂存器里, 然后用一条读暂存器内容的存储器操作命令, 可以把暂存器中数据读出。接下来通过SPI接口, 按时序把接收机的地址和要发送的9位温度数据送传给NRF905。然后单片机激发NRF905的Shock Burst TM发送模式, 开始传送数据。单片机在检查到数据准备好引脚被置高后发出指令结束发送, 进入空闲模式。
1.3 接收部分
由NRF905和试验箱的FPGA构成。在控制器发出指令, 激发NRF905的Shock Burst TM接收模式后, 收发装置将独立完成数据接收过程。同时, 控制器通过SPI接口以一定的速率读取接收得到数据。在检测到地址匹配引脚被置低后发出指令, 结束接收过程。
由于汽车轮胎是旋转的, 而监测显示系统是固定的, 可以把子机安装在轮辋上, 主机则安放在驾驶室内, 这样司机就可以随时监测轮胎温度, 当温度超过一定值时, 就可以采取相应措施, 防止事故的发生。
2 可行性分析
(1) DS18B20支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55~+125℃, 在-10~+85℃范围内, 精度为±0.5℃。DS1822的精度较差为±2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输, 大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量, 如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
(2) 微控制器部分。MC-51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。片内含2K bytes的可反复檫写的只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器, 器件兼容MC-51指令系统, 片内置有8位中央处理器和Flash存储单元, 功能强大的AT89C2051单片机用于控制温度传感器和收发装置是没有问题的。
(3) 无线收发装置部分。NRF905工作电压为1.9~3.6 V, 32引脚QFN封装 (5 mm×5 mm) , 工作于433/868/915 MHz三个ISM (工业、科学和医学) 频道, 频道之间的转换时间小于650 us。NRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成, 不需外加声表滤波器, Shock Burst TM工作模式, 自动处理字头和CRC (循环冗余码校验) , 使用SPI接口与微控制器通信, 配置非常方便。此外, 其功耗非常低, 以-10 d Bm的输出功率发射时电流只有11 m A, 工作于接收模式时的电流为12.5 m A, 内建空闲模式与关机模式, 易于实现节能。n RF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测等诸多领域。
3 结语
目前, 防爆胎技术还很不成熟, 现有的技术主要是针对胎压防爆。本系统应用胎温防爆, 大胆地提出了自供电的理念和具体实施措施, 是一个新的尝试。
参考文献
[1]赵莉华, 曾成碧.电机学[M].机械工业出版社.