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最近几年在电力设备逐渐完善的过程中,无线电力传输(Inductive Power Transfer,IPT)具有的时尚、安全的特点开始被人们关注。但是该项技术存在的局限性表现在只能为手机充电等效功率应用,针对功率较大的家电领域,目前尚未成熟。对于IPT系统来说,传输线圈副边电路互相隔离,在开环状态下工作,电路的输出电压通常都难以控制。通常情况下,在接收端使用DC/DC电路来稳定输出电压的过程中,为增加系统输出功率,通常都会在原边电路中增加锁相环电路,进而促使线圈工作在谐振状态。但是采用这种方法存在一定的问题,这些问题的存在降低了输出功率的稳定性。因此,为提高松耦合变压器传输功率与效率,需要对原、副边线圈增加谐振补偿电容。同时需要眼研究出一种新的输电系统。
一、无线电力传输系统
该种系统已经在大范围领域中开始应用,但是要想进一步了解其中相关情况,就应当对该系统有一个必要的了解。
1.1系统结构
无线电力传输系统的结构如图1所示。系统通常是由半桥逆变电路、单片控制电路、辅助电源、显示模块、婺源射频识别以及谐振耦合电路共同组成220V交流电在经过全桥整流、电感、电容滤波后送达给半桥逆变电路的输入端,在此过程中,高频方波电压就会通过半桥逆变电路出书到谐振耦合电路中,再由谐振耦合电路将能量传输给负载[1]。这是无线电力传输系统的组成部分,各个部位都在系统运行中具有重要的作用。
1.2主电路参数设置
无线电路传输系统由开关输入网络、高频整流网络和谐振耦合网络共同组成。谐振耦合网络的原边线圈采用串联电容Cp补偿,副边线圈采用并联电容Ca补偿。其中,Cp采用耐流大的电容,采用耐压高的电容,且Cp、Ca的频率稳定性都较高,C1、C2采用耐压较高、容量较小的无极性电容,和Lim组成LC滤波器,以提高功率因数。在分析主电路的过程中,采用互感模型的方法对主干电路进行分子,就可以将等效电路图画出来。等效电路图如图2所示。原、副边线圈电感通常由Lp、La表示,Cp、Ca为原、副边补偿电容,Rp、Ra分别为原、副边线圈电阻,M为原、副边线圈的互感,R为负载电阻,Re为等效负载,Za为次级回路的等效阻抗,为从输入端看进去的等效阻抗。通过对图2所示主电路的等效电路进行建模和分析。通过这样的分析主电路的电压变化,就能够确定谐振网络元件的参数。
1.3直流输出电压的控制
直流输出电压Uo控制采用频率查表模糊控制法。在电路稳定的时候,开关主要负责谐振频率上,此时可完全实现零电流软开关(ZCS),如果开关的损耗量小,则系统工作的效率就可以达到最高效率,在输出电压Uo降低或者增大的时候,电路检测到谐振电流幅度值法僧改变,相应增大或者缩小来管理工作频率,以此来稳定电压Uo[2]。在研究的过程中就会发现,电路工作频率在镇邪频率福建的时候,电路的电压增益变化就会变得较大。由此可见,如果开关频率偏执不会超过某一界面,开关管基本工作在ZCS工作状态的时候。从实验研究的结果就可以看出,开关频率在谐振率±5%的范围内,电压增益变化就可以达到设计的要求,同时工作效率还就能够达到满足84%以上。
二、仿真实验
通过设计一台额定功率1000W的数字家用无线电力传输电源样机,可以将输入电压范围保持在180-264VAC输出电压为Uo220VDC,电杆Lm为400uH,C1、C2采用耐压较高的1uF无极性电容,原边线圈直径19mm等相关的数据。在实验设计的过程中,为进一步验证电源性能,可以分别对电源的功率与功率因素采用实验进行测定,进而来评价设计的可行性。
三、结语
在实验研究的过程中,依据数字家用无线电力传输电源,就能够确定1000W左右功率等级的无线电力传输系统可以采用的电路结构具有合理性,同时护肝模型对电路进行的等效分析就可以知道参数设计具有可行性。
参 考 文 献
【关键词】无线传输 耦合谐振式 传输效率
1 系统的方案设计
1.1 设计任务与要求
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置。如图1所示。
1.2 方案的选择
1.2.1总体方案
磁耦合谐振式电能传输,基于电磁共振耦合原理,利用非辐射磁场实现电力高效传输,该方式以谐振“磁耦合”形式将电能进行传输。
1.2.2 主芯片
选用NE555集成电路作为信号发生产生正弦波,可以组成脉冲振荡、单稳、双稳 和脉冲调制电路,作用是交流信号源、频率变换、电源变换、脉冲调制等。
1.2.3 放大电路
电压控制元件之一场效应管,其放大特性好于三极管,与双极型晶体管相比具有输入阻抗高,输入功耗小,温度和信号放大稳定性好,信号失真小的特点。
1.2.4 初、次级补偿拓扑下的系统模型
初级零相角谐振频率等于次级谐振频率时输出功率最大。根据补偿电容值选取补偿电路,并联-并联补偿在电感值增大时,对系统也不会造成损失和效率的降低。
2 无线电能传输系统原理分析与参数计算
2.1 磁耦合谐振式无线电能传输原理
2.1.1 无线电能传输原理
电磁感应原理充分应用于无线供电系统。电磁感应就是利用变压器原理通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。当发送线圈中连同交变电流时,该电流将在周围介质中形成一个交变磁场,接收线圈中产生的感应电动势可实现供电。
2.1.2 磁耦合谐振原理
磁耦合谐振式无线电能传输技术,利用两个具有相同频率的谐振电路通过磁耦合谐振式技术来实现电能的无线传输。在试验中,A、S为发射回路,D、B为接收回路,由A产生高频磁场,在外加激励下,线圈S产生谐振,能量就从A传递到S,再通过磁场耦合,发射线S把能量传输到D。线圈D与回路B耦合,能量传输到回路B上。其中,A,S,D,B的固有频率相同。
2.2 模型参数计算
2.3.2品质因数
谐振体的品质因数公式:Q= ωL /R。品质因数Q与能量损耗成反比关系,即Q值越高,能量的损耗就会越低。
比如说线圈电感值、分布电容和等效串联电阻、工作频率、电源内阻及负载电阻这些因素都会对品质因素Q产生影响,提高工作频率和优化设计电感线圈参数等方式有利于提高品质因数Q。如果系统的品质因素足够大,即使线圈耦合系数K较小,仍可得到较理想的能量传输效果.
导体的截面形状会影响电流密度,导体内部的电流密度要比表面的密度小。趋肤效应使导体的有效电阻增加,电流产生趋肤效应,导体阻值会随着电流频率的增大而增大,电感却随着电流频率的增大而减小。一般耦合谐振式无线电能传输系统的工作频率都在10 kHz以上。如果不将系统自身损耗计算在内,比较理想的状态是,系统的传输效率会随着系统频率的增加而增加。但是趋肤效应是存在的,而且系统也不断的在发生损耗,所以当处于高频状态时,有一定负载存在,系统效率就会因频率增加而降低。同时,线圈电阻较小,就要选用线径较粗的导线制作线圈,以此提高线圈品质因数;系统的传输工作频率较高的情况下,趋肤效应会在粗导线线圈中发生,高频电流的趋肤效应意味着导线的有效截面积减小,线圈电阻变大,工作频率变高,这样就会在一定程度上降低导线的利用率。
参考文献
[1]谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2009(07).
[2]宁武,唐晓宇,闫晓金.全国大学生电子设计竞赛基本技能指导[M].电子工业出版社,2009(04).
【关键词】智能无线充电公路控制系统探究性设计
1汽车与无线充电
汽车的发展引起了地球资源的过大消耗。清洁能源的利用成为了世界能源发展的重要问题。近年来,我国各部委推行了一系列政策法案支持和鼓励新能源汽车的发展,并取得了一定的成效,然而,汽车充电速度和效率等问题却严重制约着我国电力汽车行业的发展。如果能够将无线充电技术运用到电力机车的充电上来,无疑将解决电动汽车在行驶途中充电速度慢、效率低的难题,这将从根本上加速电动汽车普及。
2无线充电技术原理
无线充电技术即不需要电缆就能够将电力进行输送的一项技术。无线充电技术根据无线输电在空间不同的传输距离,有三种基本的传输形式:电磁感应短程传输、电磁耦合共振中程传输和微波激光远程传输。其中,电磁耦合共振式传输由于其具有传输距离合适、传输效率较高的特点,在无线电力传输的设计中占主导地位。
3公路无线充电系统设计
3.1 电磁线圈的布置
根据电磁耦合共振电力传输技术的原理,电力传输的装置需要包含两个震荡电路,即两个相同频率的电磁线圈:其中一个是发射装置,与能量源相连,它利用振荡器产生高频振荡电流,将电能转换成磁场;另外一个是接收装置,与电力机车的发动机相连,当该接收装置收到发射装置产生的同频电磁波时,线圈中产生相应的振荡电流,以此完成电能到磁场再到电能的转换。
3.2 汽车位置传感
在智能公路中埋设与电动汽车相匹配的无线充电线圈。利用电磁感应式传感技术及单片机技术将行车感应信号感应信号转化为数字信号传至测控主机,使测控主机能够及时准确开启、关闭充电线圈。
3.3测控主机的设计
测控系统分为智能公路上的单片机系统(采集终端)和汇总数据进行控制的主机系统(主控终端)。智能公路的状态需要回传回主机,为了追求链路稳定,一般使用线缆进行数据传输。要求主机不仅能与智能公路进行通信,将数据采集回来,同时也应能够发送命令控制智能公路如图1所示。
3.4 软件功能设计
主控终端的软件应对多个采集终端的数据进行收集,并能够实时对智能公路现在的状况进行判别和分析,并下传是否进行无线充电的指令。同时,主控终端还应依据传感器的数据给每一辆车计算充电耗电量并储存。采集终端的软件应与主控终端始终保持连接,并能够满足以下几个条件:一,将收集到的汽车ID号回传主控终端;二,将传感器的数据回传主控终端;三,在主控终端发出充电开始的信号时,采集终端应能够启动电磁线圈,对附近的电力机车进行充电;四,测量该终端用来提供无线充电的电压电流值,回传主控终端。
3.5硬件系统设计
由于电动汽车的特殊使用环境和条件,其无线充电技术有以下特点:发射线圈和接收线圈存在位置偏移;车载装置(接收线圈)必须要小型轻量化;电磁辐射安全问题需要得到得当处理;要对设备进行成本控制。因此,在采用采用共振式作为无线充电方案的基础上,共振式无线充电系统的发射电路还应设计功率放大器和振荡器和源线圈,考虑到高频集肤效应影响,应采用表面光滑且导电性能好的紫铜材质,同时,应采用螺旋状的振荡器并按照同轴放置原则将其组装,以确保传输效率的最大化。
4可行性分析
美国、日本和中国国内对无线充电的研究已初见成果。其中,重庆大学自动化学院研制出的无线电能传输装置传输效率达70%。无线电力传输是完全有能力实现的,如何提高其传输的效率,使得无线电力传输真正能够实现成本控制下的商业化运用是无线充电技术的关键。在控制系统的设计上,合理借鉴已有的智能电力控制系统及电磁感应等传感模式,针对灵敏度测试、安全测试以及电力分配系统调控等重难点问题对系统进行分区试验和反复调试,从理论上讲,是完全能够实现对控制系统的设计的。重点在于对系统的严密性的把握及操作的简化。
5结语
智能无线充电公路控制系统的设计研究,将为电动汽车续航问题以及电能如何分配问题的解决提供有益借鉴,推动电动汽车的发展与普及、减轻城市公路系统的污染,达到智能分配电能的效果,推进社会的可持续发展。
参考文献:
[1]张吉宇.车载信息与娱乐系统界面的交互设计[J].电子技术与软件工程,2015(01).
关键词:无线电传输技术;技术方法研究;应用;综述
引言
无线电技术在近几年不断的发展和改善过程中已成为未来十大尖端的技术之一。其应用领域十分广泛,当前主要的几种无线电能传输技术包括:电磁感应技术、电磁共振技术以及微波电能传输等。为了无线电传输技术能够更好的发展,在实际的供电应用过程中发挥最大的优势,提高设备供电系统可靠性及安全性,对当前的技术原理及方法进行详细的了解并掌握,同时,关注其应用领域及发展前景是十分必要的。只有明确其发展方向,才能不断对这一技术进行改进和完善,下文就对此作一定的阐述。
1无线电能传输技术及发展
当前,我国的无线电能传输技术还处于不断的发展过程中。传统电力传输技术必须依靠有线传输来进行,通常采用电缆线来最为传输的载体,但在电力传输过程中由于电线的长度无法避免传输过程中电能损耗的产生,不仅如此,采用有线传输的方式,还会有线路老化或是尖端放电等导致电火花的安全隐患,设备供电的可靠性以及安全性都得不到有效的保障。另一方面,在一些特殊的供电场合,采用有线传输的供电方式无法保证正常的供电,容易导致极大的事故造成损失,例如:海底、矿场等。同时,当前的人类生活离不开电,用电设备多种多样,不计其数,若采用电线传输,则必须使用多种多样的电源线,给人们的生活带来了不便,同时也埋下了用电安全的安全隐患。可见,采用无线电能传输方式是社会发展的必然趋势,随着科研技术的发展,无线电传输技术经历了激光、电磁感耦合以及磁场谐振等方式的转变,不断提高了电能的传输功率,对比有线传输,无线电能传输方式在对电磁环境有较高的要求且对功率的要求较低的场合能够发挥出其优势。总之,随着无线电能传输技术的研究和发展,已经能够实现大功率的电能传输,能够适应远、近距离等不同场合、不同功率需求的电能传输。
2几类无线电能传输技术
2.1电磁感应无线电传输
电磁感应无线电能传输技术是基于电磁感应原理的传输系统,以磁场作为媒介,利用变压耦合器来进行无线电能的传输。这一系统通常包括四个组成部分:交流电源、一次侧变换器以及可分离变压器及二次侧变换器。但基于电磁感应的电能传输系统其耦合系统是较为疏松的,传输能力也一般,因此,通常需要利用高频变换器来作为电磁感应无线电传输系统的一次测变换器。另外,这一系统中的可分离变压器是最重要的构成部分,保证和决定了整个电能传输系统的稳定剂效率。
2.2射频电能传输
射频电能传输方式主要是通过功率放大器来发射所需的射频信号,再进行检波、高频整梳等步骤得到直流电来供给负载使用。便携式终端在待机过程中依然会有功率的损耗,因此,将射频电能发射器安装在室内电灯等电器中,能够向这些便携式终端随时充电而不需要通过充电器的连接。这一电能传输技术的优势是该技术进行无线电能传输的距离较远,能够达到10m,但功率较小,最高的功率也只能达到百毫瓦的级别。
2.3电磁共振技术
电磁共振是通过对发射装置以及接收装置其参数的合理调节,让发射线圈以及接受线圈之间产生合理的电磁共振而进行电能传输的过程,在这一共振频率电源的驱动下,系统能够达到电谐振的状态,实现能量从发射端到接收端之间的高效传递,这一技术就被称为电磁谐振型电能传输技术。
2.4微波电能传输技术
微波电能传输技术是指通过微波来传输电能,这一技术的原理是先将电能转化为微波,将其发射并辐射到周围的空间中,负载再通过整流的方式,将微波再转化为直流电来使用。通常微波电能传输技术的传输距离较短,且传输过程的功率较小,因此,微波电能传输技术所具有的应用范围较窄,只适用于距离较短且供电较小的电器来使用。
2.5激光电能传输技术
激光电能传输技术是通过辐射放大原理来将电能转化为激光,再将激光发射,接收装置接收激光后进行光电转换,接收装置通常是光伏电池。由于激光发射后的方向性较好,且传播距离远、传播过程中能量集中,具有较高的传输效率,能够在较小的范围内集中采集较多的光能,因此,激光电能传输技术具有传输距离较远的有点,且接收装置小、效率高,通常被应用于微型飞机、航天器等设备中来进行远程的电力传输,具有极大的应用价值。对于微型飞行器等的续航具有重要意义。
3无线电能传输技术的应用
3.1电动汽车中的应用
无线电能传输可以应用到电动汽车供电系统中的无线充放电中,有效解决了各类充电桩在电动汽车中的建设问题,同时也将电动汽车的充电分散开,在一定程度上也缓解了大量电动汽车进行规模化的充放电对于传输电网造成的冲击。当前,将无线电能传输技术应用到电动汽车中成为国内各汽车生产商以及科研机构的热点研究项目,也取得了一定的成果。将无线电能传输技术应用到电动汽车中对于智能电网来说,具有积极作用。主要表现为以下几点:首先,能够有效一直可再生能源输出及波动,电动车采用无线电充放电技术,与电网能够产生更强的互动,通过智能互动系统的连接来自动控制电动汽车合理的进行充放电,提高可再生能源消纳能力。其次,能够有效减少电动车充放电对电网带来的冲击影响,与有线的充电方式相比较,无线充电方式将充电地点分散开来,有利于提高电动汽车充电的聚集度,由于电动汽车充放电与电网之间并无物理连接,充电过程也变得更具灵活性、安全性,分散连续充电也降低了快速充电,有效减轻电动汽车的充放电对电网带来的冲击。另外,能够有效的降低对于电池容量需求,电动汽车行驶距离越长,则电池就越容易失效,用户必须及时更换新的电池。采用无线充电形式,能够减少电池容量,降低更换电池所需的成本。
3.2智能家居中的应用
随着智能化技术的研究和发展,智能家居称为近几年的热门话题,而对于智能家居中的家用电器来说,采用无线电能传输技术具有较为明显的优势,能够摆脱传统的充电线缆对电器互联的限制,体现出了更大的便捷化、人性化,人们更加趋向于“无尾”家电的应用。
3.3医疗设备中的应用
在医疗设备中,无线电能传输技术同样能体现出较大的优势,主要是应用与集中植入式的医疗设备中进行无线供电,例如:心脏起搏器、全人工心脏等等。植入式的医疗设备通常所需的供电功率较小,适宜采用植入式电池的无线充电等方式来进行供电。在人体植入式设备中进行非接触式的无线电能传输是当前研究的主要热点,无线电能传输在医疗设备中的应用主要具有以下几点优势:第一,避免导线与人体皮肤直接接触,防止由于感染而出现并发症;第二,避免植入式电池的电能耗尽之后需要进行手术来更换的问题,降低了由于手术而带来的二次伤害;避免人体皮肤直接进行电气连接,消除了意外点击的安全隐患,消除了物理层面的磨损以及电气腐蚀,具有较高的安全性、可靠性。
3.4工业中的应用
将无线电能传输技术应用到工业中,具有广阔的发展前景。在工业中的特殊场合中,例如设备监测装置、水下机器人等,在以往的供电过程中,即使这些特殊的场合也通常采用换电池或是电缆传输的方式来进行供电,造成设备无法正常使用及维护。而采用无线电能传输技术能够有效的克服这些缺点。
4结束语
综上所述,无线电能传输技术经过较长时间的发展,当前能够被应用到许多领域中,为人们的生产生活带来较大的方便,具有较高的安全性以及可靠性。但在其发展过程中,同样存在较多的问题需要解决,例如,理论不够完善等。因此,在今后的发展过程中,应当积极探索,不断创新,在技术上取得突破,将无线电能传输技术进一步完善,提高其供电效率和传输距离,为人们的生活带来更多的便捷。
参考文献
[1]黄学良,谭林林,陈中,等,无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报,2013,10(26):69-70.
[2]范兴明,莫小勇,张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报,2015,5(20):94-95.
市场前景
充电设备与电源线说再见的日子也许不远了。无线充电技术走进消费者视线开始于2010年,2011年多家日本厂商率先展示其无线充电技术相关商用设备,并且在2011年下半年开始有一些消费电子厂商将其用于智能手机等便携设备的充电应用,逐渐开始走入大众的世界。根据市场研究机构Marketsand Markets的一份报告,全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长,到2017年将形成超过70亿美元的市场,而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元,年复合增长率预计为57.6%。
随着智能手机以及平板电脑等产品的不断普及,生活中需要对便携设备进行充电的场合也越来越多,市场对无线充电功能的需求也随之不断增加。预计在今后,我们将会迎来一个只需将自己的便携设备放在像一张大桌子似的充电台上的任意位置即可以进行充电的时代。为了实现这一愿望,有些公司已开始了电场耦合式无线充电模块的批量生产,为便携设备无线充电功能的普及做出了贡献。虽然手机充电是一个潜在的巨大市场,但无线充电的市场推广还没有被广泛接受。支持无线充电所带来的硬件成本问题,以及效率低于标准有线充电的问题都需要解决。有线充电的电气触点会产生问题的充电应用场景是无线充电能够真正发挥优势的地方。例如要求设备能够防水,或是在有液体或恶劣气候条件的环境中工作。无线充电使这些设备能够永久密封,并且能通过无线、非接触式的方式充电。
未来的无线充电技术将让所有的移动设备嵌入内置接收器和发射器,这些接收器和发送器被无处不在的部署在公共区域,如咖啡馆、宾馆、机场、快餐店等。消费电子设备是显而易见的目标市场,但医疗和工业便携设备也是能够从无线电源受益的应用细分市场,可实现防水外壳并减少充电端口,这些充电端口经常被使用,由于充电线的重复插入,可引起不必要的故障。
无线充电的整个系统其实并不复杂,基本上包含了两个部分,一个是连接电源的充电端发信器,另一个被充电电子产品上,跟硬币大小差不多的接收器,只要在一定的范围内(跟据不同的技术距离不同),电源能够瞬间自发信器传到对应的接受器,从而实现电能的传输。可以说,对无线充电而言,设备是简单的,充电距离与效率才是技术最核心的环节。
无线充电技术原理
无线充电技术的原理研究可以追溯到19世纪30年代,科学家迈克尔?法拉第首先发现了电磁感应原理,即周围磁场的变化将使电线中产生电流。到了19世纪90年代,爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手,也是后来的科学家尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla) 证实了无线传输电波的可能性,并申请了首个专利。目前短距离无线充电存在三种不同的商用技术,电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术,几种技术各有特点。
近期电磁感应技术首先取得了突破,一些展会上展出的产品均是采用电磁感应原理取得的成功。电磁感应技术,通过初级和次级线圈感应产生电流,从而将能量从传输端转移到接收端,由于电磁感应技术具有技术简单、充电高效,并能够运用于如满布水、沙泥及灰尘的各种恶劣环境中,未来很有可能在几种技术的较量中最先取得成功。电磁感应技术的优点还包括传输的功率可以从几瓦到上百瓦,基本满足了现在大部分消费电子产品特别是智能手机等充电需求最大的市场要求。但是,电磁感应技术也有自己的问题,首先是传输距离很短,必须接触才能实现无线输电;另一方面,无论是线圈和电路之间的屏蔽问题需要对产品设计加以改进,还是充电端要进行智能识别以判断是被充目标还是其他金属以避免误充造成不必要的安全隐患,都是电磁感应技术快速普及面临的最大挑战。
IDT先进用户界面部战略营销总监Eric Itakura相信电磁感应技术背后有很多乐观因素,因为其背后有一个联盟机构(无线电源联盟),迄今为止加入的会员超过100人。代表制造商的会员横跨多个不同的细分市场,包括消费电子、电池、家具、汽车等。拥有广泛的支持和设备之间最重要的互操作性对保证用户体验和承诺可在任何地点充电至关重要。除了支持这种技术的公司众多,其他优势还包括高效率,低成本、工作在非电离kHz频率内,并把磁场控制在非常小的区域里、安全性高。但是其他技术和要求更长距离的应用还有发展空间。
无线电波技术也是发展较为成熟的技术,其基本原理类似于早期使用的矿石收音机。通过一个微型高效接收电路,可以捕捉到从某个指定位置传送过来的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。该技术的主要优点是传输距离长,并且可以对不同位置的设备进行同时传送电能。但缺点也很明显,一个是传送功率小,充电速度会比较慢;而且传输的效率也比较低。无线电波技术比较适合的一些小功率或相对较长时间不移动的设备充电,并且非常理想用于物联网的一些未来供电应用。