1、太阳能无线充电器项目设计方案太阳能无线充电器项目设计方案1研制背景及意义无线电技术用于通信 , 已经在全世界流行了近一百年。从当初的无线电广播和无线电报 , 发展到现在的卫星和微波通信 , 以及普及到全球几乎每一个人的移动通信、无线网络、 GPS等。无线通信极改变了人们的生产和生活方式 , 没有无线通信 , 信息化社会的目标是不可议的。然而 , 无线通信传送的都是微弱的信息而不是功率较大的能量。因此许多使用极为方便的便携式的移动产品 , 都要不定期地连接电网进行充电 , 也因此不得不留下各种插口和连接电缆。传统的电气设备都是通过插头或插座等电连接器的接触进行供电，这就很难实现具有防水性能的密封
2、工艺 , 并且存在较大安全隐患，而且这种个性化的线缆使得不同产品的充电器很难通用。如果彻底去掉这些尾巴 , 移动终端设备就可以获得真正的自由。也易于实现密封和防水。这个目标必须要求能量也像信息一样实现无线传输。国际无线充电联盟（ Wireless Power Consortium ，WPC）Qi 无线充电国际标准规定： Qi 无线充电系统需由基站和移动设备组成。基站包含一个或多个发射器，发射器将提供用以接收的能量。移动设备包含一个接收器用来提供电能给负载 ( 如手机 ) ，接收器还将为发射器提供信息。发射器有能量转换单元，将电能转换为无线能源信号，接收器的能量收集单元则将无线能源信号转换为电能
3、。接收器将根据需要将电能输送至负载，发射器根据接收器的需要适配能量传递。诺基亚、飞利浦、 LG、三星、索尼爱立信以及 RIM 等众多国际知名手机厂商都很支持这一技术，按照 Qi 标准要求，相继推出支持 Qi 标准的无线充电器产品，并首先为苹果 iPhone3GS和黑莓 Blackberry Curve 8900 用户带来无线充电的全新体验。同时市场调研数据显示，无线充电设备市场在 2013 年将达到 140 亿美元的规模。飞利浦已经开始生产含有无线充电设置新型手机了，该机将标配无线充电器Xenium Q1（ Qi 无线充电联盟标准）。Qi 基于电磁感应原理进行输电。感应耦合电能传输系统的由发射
4、器线圈和接收器线圈组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。现有的无线充电器局限：一，利用电磁感应技术，有较大的漏磁，耦合系数较小，会增大输入电流与电压之间的相位差，限制了能量传输的效率，不适合大功率，远距离传输，只能在 330mm之间进行小功率充电。同时，线圈相互耦合干扰会带来能量损耗；二，充电基座带有电源线，这就要求充电基座附近有电源插座，限制了充电器围。从某种意义上将，现有无线充电器，只是没有将 USB接口直接接在手机上，但手机需要紧贴基座放置，而基座带有电源线，也就是说将手机的电源线转移给了充电基座，这给无线充电技术带来
5、极大的不便和限制。基于以上背景条件考虑，我们研发了本套无线充电装置 , 该装置是基于电磁谐振的太阳能无线充电器。该无线充电器可以为手机等小功率电子设备实现中远距离无线充电。其由发射模块和接收模块组成，手机等小功率电子设备接在接收模块上，接收来自发射模块传输过来的能量。本项目的研究容：发挥太阳电池板优势，利用太阳能电池板将太阳能转化为发电能储存在蓄电池，然后由蓄电池供给给高频功放和信号发生器，传输给发射极线圈，通过谐磁共振将能量传输给中远距离的接收线圈，经整流滤波电路，将交流转成直流，供给手机充电。本研究主要容包括：(1 ）对设计方案和设备的选择做出了一个整体性的概括和研究，其中包括：无线供电方
6、式的的选择，太阳能电池板选择、信号震荡发生器、宽频带高频功放、接发射线圈、高频整流滤波电路、高频分离式变压器的制作。(2 ）探究频率对线圈的影响，考虑高频情况下导线的集肤效应。(3 ）线圈线径、直径、材料、外物对无线供电装置效率的影响。(4 ）研究 Q 值对整个系统的影响。(5 ）进行工式化推理；进行经济性分析。验证该项目可行性、科学性。该充电器是针对目前国外无线充电设备的要求，并参考了目前国外许多无线充电技术，其避免了现有感应式无线充电器的局限，提高了无线充电器的围，并利用太阳能发电技术，既实现了装置的便携又充分体现节能环保的理念。在提倡环保的今天，本项目的研究成果积极的响应了保护环境和节能
7、降耗号召，具有很强的推广性。2.方案设计2.1 设计方案的确定无线能量传输通常是指电能的无导线传输，即不借助实物连接线，实现电能的无线传输。传统电能的传输主要是利用金属导线直接接触来进行的，这给我们带来了许多的不便。而无线电能传输就不同了，电能从发射端待接收端无接触，提高了用电设备获得电能的灵活性。无接触电能传输技术对移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供可靠的电能供应。目前常用的无线供电方法有三种，即电磁感应式、电磁谐振式和电磁辐射式 1-7 ：1.电磁感应式一般的电磁感应可分为两类 : 静电感应和动电感应，目前后者使用较多静电感应方案利用容性耦合传输能量系统通过高频高
8、压的交变电流产生的电场，在两个或多个相互隔离的端点之间传递能量电机工程领域的先驱，尼古拉 . 特斯拉曾对静电感应方式做过实验，成功利用无线方式让灯泡发光但要实现高频高压的交变电流存在有一定难度，因此，一般民用场合很难使用动电感应方案利用感性耦合传输能量，在一次侧线圈上交流电，产生交变的电场，利用近场围线圈之间的互感实现能量的传输，这与变压器部的原理非常相似该方案应用比较广泛，如变压器部的原理电动牙刷的充电电磁炉加热等，主要缺点是传输效率会随着传输的距离增加而迅速衰减2.电磁辐射式电磁波辐射方案，即在供电端将电能转化为电磁波的形式并向空间发射，在接收端收集并恢复成直流或交流电的形式该。方案在空间
9、发电领域有一定的应用，太阳能卫星将能量收集后转化为微波形式，通过天线向地球发射 ; 在地面端，通过微波整流天线将能量接收并转化 当电磁波的波段为可见光时，该方案又会衍生出另外一种形式，即电能的激光传输这样，虽然提高了方向性和传输效率，但由于可见光的特性，传输中需要保持光路畅通，无遮挡电磁辐射方案的原理较为成熟，但在大功率的情况下对天线的设计要求较高。如果是可见光，还会存在遮挡问题另外，由于存在电磁辐射，故在民用领域的应用场合传输的功率会受到限制，还可能与通信系统频率互相干扰电磁辐射传输方式，容易对通信造成干扰、能量散射损耗大，定向性差，传输效率低。3.电磁谐振式电磁谐振型电能传输技术主要是利用
10、接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理来实现电能的高效传输。 2007年，麻省理工学院 Soljacic 助理教授带领的研究小组成功地将一盏距离发射器2.13m 外的60W灯泡点亮。实验表明：当收发双方相隔2m 时，传输60W功率的辐射损失仅为 5W。因此，在几米的中程距离传输电能是可行的。采用 ERPT技术，电能传输距离可以达 3-4m，传输功率可高达几 kW。在强耦合环境中使用自谐振线圈，通过实验验证了非辐射功率传输，其传输距离能达到 8 倍的线圈半径。在 2m多的距离，能传输 60W左右的功率，效率超过 40%。研究了以上无线供电方式，我们得出如下
11、结论：单一的无线供电方式进行电能的传输存在较大缺陷：电磁感应，原理简洁明了，结构简单，容易实现，但有较大的漏磁，耦合系数较小，会增大输入电流与电压之间的相位差，限制了能量传输的效率，不适合大功率，远距离传输。同时，线圈相互耦合干扰会带来能量损耗；电磁辐射，传输距离较远，属于远程传输，频率较高，传播的能量越大。在大气中能量传递损耗小，能量传输不受地球引力场的影响。但容易对通信造成干扰、能量散射损耗大，定向性差，传输效率低；电磁谐振，传输距离远，传输效率较高，能量传输不受空间非磁性障碍物影响。最新技术则是将几种方法结合起来使用即综合法无线电能传输。该技术是一种必然的发展趋势，这样能够发挥各自的优点
12、，相互弥补缺陷。因此，我们结合上述研究的方法，又参考了目前国外在无线供电方面的领先技术8-9 ，选择最佳方案后，设计出如下无线充电系统。本系统的目的在于设计一种基于谐磁共振的太阳能无线充电器，一该装置充分发挥电磁谐振和电磁感应无线供电方式的优点，利用谐振实现中远距离电能传输，利用感应为手机等电子设备实现近距离高效充电；二利用太阳能电池板为系统提供能量，环保、便携。主要的设计路线：太阳能电池板将电能存储在蓄电池能，经 DC-DC直流转换器，提供满足功率和振荡信号发生模块所需电压。高频信号振荡发生模块产生3MHz的正弦波，通过宽频带高频功放模块后发出 20W功率，通过发射极线圈 B 将能量以交变电
13、磁场的方式传输给接受级线圈 C，然后经过整流滤波电路，将交流电变成 5V 直流电，然后经过高频分离式变压器，传递给负载，实现真正意义上的无线供电。2.2 太阳电池板和蓄电池的选择2.2.1 太阳能电池板的选取太阳能光伏电池用于把太阳的光能直接转化为电能且大量以硅为基底的太阳能电池 , 同时可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面单晶硅、多晶硅电池优于非晶硅电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟 . 电池转化效率超过 20% 左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成
14、本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达 12%左右 .太阳能电池板具有很多的应用优势，主要有以下几点10 ：（1）能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守。这是太阳能独特的优势，丰富太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。（2）安全可靠、无噪声、无污染。太阳能是一种绿色清洁能源 , 无环境污染、无地域之分、人类能够自由利用的能源。（3）建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。综合以上特点，我们选择 BSM100-36型平板多晶硅太阳能电池，该太阳能电池板的工作电
15、压为17.6V ，工作电流为3.4A ， 18V直流电压稳定输出，尺寸为255*192*16mm。BSM100-36型平板多晶硅太阳能电池具有以下特点11 ：（1）高效电池硅片保证功率输出的稳定性和持久性；（2）严格的质量检测符合国际质量测试标准；（3）高效透明钢化玻璃和防腐蚀 EVA对电池板有效保护；（4）稳定的性能保证功率的输出。高转换率、高效率输出；2.2.1 蓄电池的的选取根据太阳能电池板输出特性，及蓄电池输出要求，我们选择了 12V4AH松下免维护蓄电池。该款蓄电池具有以下优点 1 ：（1）采用独特的胶体电解质，呈凝胶状态，无酸液分层现象，自放电率低，耐深放电和耐高低温性能好，电池可
16、在较为恶劣的环境下工作。（2）采用合理的板栅结构及特殊的稀土合金，活性物质利用率高，充电接收能力好 , 正极板耐腐蚀性好，负极板析氢电位高，独特的铅膏配方保证电磁深放电后充电的强恢复能力，循环耐久性好，高容量，长寿命。（3）极柱端子采用引线结构，便于电池深埋地下，有较强的防水性，避免短路和自放电。充电原理如图 1 所示2.3 高频信号振荡发生模块振荡信号发生模块是系统中提供谐振信号的重要组件，本装置的振荡信号发生模块以 MAX038芯片为主体，产生出所需频率的信号波形13-14 。2.3.1 MAX038 芯片MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，它能产
17、生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在 A0和A1输入端设置适当的代码来选择。其性能特点如下：(1)0 1 Hz 20 MHz工作频率围；(2)15 85可变的占空比；(3 ）低阻抗输出缓冲器： 0.1 ；(4)低失真正弦波： 0.75 ；(5)低温度漂移： 200 ppm。MAX038 使用士 5 V 的工作电源。所有输出波形的幅值为 2Vpp(峰 - 峰值 ) ，最大输出电流为士 20mA，输出阻抗的典型值为 0.1 ，可直接驱动 100的负载。电路图如22.5图 2所示，输出频率：f 0CfRIN实验证明该电路具有
18、输出频率围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点。图2 振荡模块电路图2.3.2 MAX038 的波形输出控制MAX038 可以产生正弦波、方波或三角波。具体的输出波形由地址 A0和 A1的输入数据进行设置，如表 2.3 所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位。表2.3 波形控制A0A1波形X1正弦波00矩形波10三角波2.4 功率放大模块 15图3 宽频带高频功放电路有传输线变压器与晶体管构成的宽频带高频功率放大器，利用传输线变压器在宽频带围传送高频能量实现放大器与放大器的阻抗匹配或实现放大器与负载之间的阻抗匹配。如图 3， B1、B2和 B3是宽频带传输线变
19、压器， B1和B2串联组成 16:1 阻抗变换器，使 T1的高输出阻抗与 T2的低输出阻抗相匹配。电路每一级都采用电压负反馈电路，以改善放大器的性能。电阻 18k与 47仍串联给 Tl 放大器提供反馈，电阻12k与 12串联给 T2放大器提供反馈。为了避免放大器通过电源阻在放大器级间产生寄生耦合，采用 RC去耦滤波电路。滤波电容是由大小不同的三个电容并联组成，分别对不同的频率滤波。由于没有采用调谐回路，这种放大器应工作于甲类状态。这个电路的工作频率围为 230MHz，输出功率为 25W。根据负载为 50，经 B3的 4： 1阻抗变换， T2的集电极负载就为 200，由于工作于大功率状态，其输入
20、电阻为 12左右，且会随输入信号大小变化。为了减小输入阻抗变化对前级放大器的影响，在 T2的输入端并接了一个 12的电阻，使总的输入电阻变成为 6，经 16：1阻抗变换， T1的集电极负载为 96。2.5 谐振匹配的初、次级线圈由于整个系统在高频下工作，对于器件和线圈都有较高的要求，因此设计谐振的初、次级线圈就成了本项目尤为重要的一点。实验表明，在较低频率下，普通的细漆包线即可传输电能，但由于频率较低，在传电过程中能损较大；当频率上升到大于 0.1MHz又小于 2MHz时，多股漆包线的传输电能的效果最好，因为多股线可以增大有效的通流面积，减小了集肤效应的影响12，会比同等截面积的单匝线圈的品质
21、因数 Q提高 30%-50%；如果频率继续增大到2MHz以上，初级的发射线圈一般会选用 0.3mm到1.5mm的单匝粗线圈，用多股线反而不是一个很好的选择，因为多股线在高频下反而会使介电损失增大。对于有些线圈，当绕组长度 L和直径 D的比值为 0.7 时，它有最小的能量损失，而对于一个多层线圈，当 L/D=0.2-0.5 和t/D=0.25-0.1 （t 为绕组厚度）时，能损最小；当 t 、L、D满足 3t+2L=D时，能损也是最小的。对于漆包线圈， L/D=0.8-1.2 是最好的。因此我们选用线径 6-8mm的镀银扁铜线作为我们的谐振线圈的材料，这种材料在高频下特性良好，外围的镀银层可以使
22、线圈表面的导电性能大大提高，而线径的增大则可以使品质因数 Q也有增加。线圈的制作，参数导线材料：银的导电能力比铜大，镀银扁铜线圈导电性能比漆包铜线圈好，因此渡银扁铜线圈 Q值比漆包铜线圈大，但由于渡银线圈造价较贵，本实验中任采用铜线圈。A线圈选用线径为镀银铜线圈； B线圈选用线径 1.2mm，直径为 12cm，匝数为 10 的漆包线圈； C线圈选用线径为 1.2mm，直径为 12cm，匝数为 10匝的漆包线圈。 D线圈选用线径 0.6mm的，直径为 4cm，匝数为 20匝的漆包线圈。2.6 高频整流滤波电路整流电路就是将交流转换为直流的电路 , 本装置采用桥式整流电路 , 如下图 4中的整流桥
23、 D,它是四只整流二极管连接成的桥式电路，根据二极管的单向导电性 , 在正弦波的正负周期整流二极管两两交替导通 , 整流桥的输出端输出一个单向的脉动电压 , 再经滤波电容滤波就可以得到较为平滑的直流电压。图4整流二极管的输入输出波形图如下图 5所示图5设整流器外接负载为 RL.输出的平均电压为 :上流过的电流为：流过二极管的电流为二极管承受的反向电压为本文所设计的输入电压为高频交流 5-10V, 因为流过负载的脉动电压包含直流分量和交流分量 , 其中二次谐波的幅度最大 , 所以整流二极管的耐压值必须大于 10V,耐流值不小于 5A。3.实验电磁谐振的原理阐释：磁场和电场本身就能够存储能量，通过
24、电磁共振在频率相同的两端形成驻波，进而传送能量，当没有负载的时候能量在电场和磁场之间转化没有损失，接上负载后能量就被传递给，当传递的能量大于负载所需的能量时，负载端的多余能量返还给发送端，这样就可以保证能量传输的高效率性。可知，完美的电磁谐振在理论上能达到的效率会相当高。通过调谐 9 让线圈之间谐振，是相当重要和必要的。3.1 调谐电学方面的试验中，效率是相当重要的一个环节。本试验中，效率主要是由电磁感应和电磁谐振所影响。众所周知，电磁感应部分只要线圈之间密切耦合，即可达到高效传输，密切耦合也很容易达到。所以，电磁谐振成为了影响效率的主要因素。3.1.1 线圈与电容匹配在 Q-f 图（品质 -
25、 频率图）上线圈与电容匹配关系类似于正态分布。即在某一特定频率点上， Q 值达到峰值；在其附近区域， Q 也会达到一个比较理想的效果；而超出这个围， Q值急剧衰减到难以利用的围。两个谐振线圈由于工艺及其自身的差异，不可能达到完全相同，所以两个谐振线圈的最佳谐振频率也不可能完全相同，在相同频率点下， Q 值也因此不会达到峰值。谐振线圈越接近，越类似，谐振频率点也就越靠近，两个谐振线圈在 Q-f 图上的重叠部分会增加，整个系统所能利用的 Q值就是在这个重叠部分里的最大值，最大 Q值所对应的频率点也就是整个装置的谐振频率。这个频率接近于单个线圈的谐振频率却不是单个线圈最大 Q 值所对应的谐振频率。在
26、理论上， Q 值若能达到 100以上，它的传电效果及其效率是比较可观的。本系统 B、C 线圈选用线径为 1.2mm，直径为 12cm，匝数为 10 匝的漆包线圈，经实验测定器 Q 值在最佳状态时为 400。3.1.2 调谐本装置实验过程最重要的是主体谐振部分的调谐。调谐效果的好坏直接影响到了实验是否可以继续进行以及装置效率的大小。(1 ）整个装置第一部分调谐过程如下图所示信单待单号匝电磁信号调电磁信号匝发发谐接负生射线收载器线圈线圈圈调谐过程一使用高频 Q 表，选择合适的匹配电容，测试出实验所用线圈的谐振频率及 Q值的大小，并记录。将信号发生器的输出频率调为上步所测的频率，选择合适的输出电压，
27、输出。信号发生器接入第一级发射线圈，由发射线圈发出电磁信号给待调谐线圈，在待调谐线圈后放置一带负载（ LED 二极管）的末端接受线圈，通过负载来判断是否达到谐振。实验结果表明，接收线圈上所接的负载 LED二极管发光，而改变频率会使二极管亮度变暗，即证明了在最初的频率下，待调谐线圈达到了谐振。为了排除此时传电是受电磁感应的影响，只需把待谐振线圈拿掉即可。实验表明，在拿掉待谐振线圈后， LED 二极管不发光。而将接受线圈直接靠近发射线圈时，必须在一个很近的围才能是 LED二极管发光，因此可证明，是电磁谐振，而不是电磁感应在整个系统中起作用。实验所测得不同频率下的 Q值：实验结果显示：相同频率作用下
28、，对于不同线径、匝数的线圈，具有不同 Q值；不相同频率作用下，同一线圈也具有不同 Q值。当频率为 3.1MHz时 B、C 线圈Q值最大，本装置将频率设置为 3.1MHz，然后进行微调，可使效果达到最佳。(2 ）整个装置第二部分调谐过程如下图所示已待单信调调匝号谐电磁信号谐电磁信号发示发的的射波生发接线器器射收圈线线圈圈图 3.2 调谐过程二在已确定的装置下进行第二步调试，接收端改用示波器来演示，使调谐效果更加精确。在已调谐的发射线圈与示波器之间放入另一个待调谐线圈，由信号发生器发射电磁信号。信号发生器的参数设置与上一步调谐成功后的参数相同，是因为整个系统谐振的频率是在单个线圈谐振频率的附近，调
29、节频率容易实现。信号发生器输出电磁信号，在示波器上观察，如果波形的峰值达到最大值，即产生了最好的效果，此时默认为整个系统已达到谐振。之后，将示波器换为带有 LED发光二极管的终端接收线圈，可观察到 LED发光二极管产生一个令人很满意的亮度。拉远两个谐振线圈间的距离，或者改变信号发生器的频率，都会使 LED发光二极管产生一个亮度变暗的趋势，即证明了，在这个调试的频率下，整个系统已经达到了谐振。之后，将两个谐振线圈逐渐拉远距离，在一个能使负载正常工作的距离，即为此系统的默认工作距离。3.2 实验结果及其分析太阳能电池板将所发电能储存在蓄电池，蓄电池输出的 12V 直流电，通过可调 DC-DC直流转换器，分两路输出：一路输出直流 5V，供给高频信号震荡发生器；一路输出 5-24V 直流供给高频功率放大器；高频信号振荡发生模块发出 3MHz的正弦波，进过看宽频带高频功放模块后发出 25W功率，通过发射极线圈将能量以交变电磁场的方式传输给 1.5 米以外的接受级线圈，然后经过整流滤波电路，将交流电变成 5V 直流电，然后经过高频分离式变压器，输出 5V200mA直流电，传递给手机（本实验所用手机为三星 I9300 ，充电电压 5.0V ，充电电流 1A ）等负载。转
