基于电磁共振的移动设备智能无线充电系统申报材料

桂林科技大学第十四届“杯”大学生课外学术科技竞赛重点项目申报书１、申报者认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。２、申报者必须填写申报者情况表和情况表。３、申报者在填写申报情况根据类别（自然科学类学术、科学类调查报告和学术、科技发明制作）分别填写。４、表内项用钢笔（或签字笔）填写或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可。５、序号、编码由“杯”大学生课外学术竞赛审查组填写。６、申报书字体统一使用宋体小四，标题加粗；说明书、学术、调查报告及所附的有关材料必须是中文，请根据模板统一字体格式（一级标题、二级标题、正文、图标、参考文献等）。７、申报书须按要求由各参赛者认真填写。８、有关参赛事宜请向承办咨询。９、该申请书打印稿交与组委会，另需向承办指定邮箱发送一份档。A、申报者情况申男出生年月1992-10-5报现学历[A]A大学本科B研究生者申报桂林科技大学情专业机械工程学号学制4年况全称基于电磁共振的移动智能无线充电系统学号所在备注男1300130519桂林科技大学有无合作者请在此说男1300130216桂林科技大学合明：作男1300130511桂林科技大学者何业湖男1300130208桂林科技大学情□有男1300130515桂林科技大学况□无女1300120103桂林科技大学女1300120105桂林科技大学说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人的第一作者（承担申报60%以上的工作者）或集体填写一文学历最高的代表。2、本部分中的签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作申报情况全称□A.(计算机.电信.通信.等)B.机械与(机械、仪器仪表、自动化、工程、交通、等)□C.数理(数学、物理、地球与空间科学等)（在选项上画√）□D生命科学(生物、食品等)□E.能源化工(能源、材料、、环保等)□F.外观设计(电脑艺术设计、机械CAD等)设计的目的：随着科学技术的发展，科技带给人们的方便性越来越明显，市场上出现了各色各样的可移动的科技，比如，数码相机，平板电脑，笔记本电脑等。大家都使用过这类，我们给这类充电最传统、同时也最有效的方式是通过导线连接充电。这种方式在开始时是合理有效的，但是随着，平板电脑，等功能的增强，其耗电能力越来越强，这使得移动在“移动”这个强大的功能产生了巨大的局限。还有导线传输充电往往会产生电火花，这使得各类难以在易燃易爆场所使用。为了加大家对这项技术研究的必要性，我们总结出无线技术必须得到支持的主要有以下几个方面：（1）医学上面的应用疾病永远是人类的敌人，随着科技的发展，科学家们逐渐研究出各类来攻克人类先天或后天的疾病，例如人造心脏、助、人造起搏器、人造肝脏等。这类都需植入中，假如采用我们传统充电方式，就是之前我们所述的导线传输充电，那么我们在设计、发明的进行充电的过必须对进行二次切割，这样大大增大了的痛苦。如果采用无线充电技术，那么可以无损伤对体内的仪器进目的和基本思路、行充电，大大的移植人造器官的生活质量，因为这种方式无创新点、技术关键损伤，无需往返于医院病床和家里，在家里进行简单操作即可，而且和主要技术指标对也没有。这是无线充电的优越性能之一。（2）大，小电器的充电无线充电其实最适合小型电器，特别是这类功能强大，但耗电量大的电器，人们在出行过没电了，很难找到导线传输插口。假如在一些公共场所添加无线充电发射器，那么人们在公车，市场上也可以对移动充电，这就大大提高了移动的可移动性的强大功能。还有一些大功率电器的充电，每次的导线电器连接都会产生大电流和电火花，这给使用者的工作带来极大的性。但是运用了无线充电技术这种情况就大大改观，因为其可以不对导线触摸即可充电，同时也可以排除因导线绝缘破损老化而带来的。提高工作者的生命安全。（3）汽车充电站，节能减排如今越来越多的人我们应该保护的环境，尤其是空气污染。汽车尾气是热门话题之一，加之石油能源越来越少，由此可见电动汽车将会逐渐取代油车。那么问题来了，对汽车充电是个大问题，而采用了电磁共振技术对电动汽车充电相比于导线充电有着显著地优点。1、没有漏导体，其能量传递能力不受环境因素如潮湿、尘土、污物等的影响。比导线电气连接起来，更为可靠，耐用，不存在机械磨损。2、采用高频技术，大可减低汽车供电系统的体重和体积，提高功率和传输效率。既增加能源利用率又环保。总之，无线充电有着非辐射性，不大，良好穿透性，效率高，安全可靠，无严格方向性等优点。同时运用领域广泛，小到居家旅行，大到医用，大型供电，动车轨道充电，甚至机器人领域都可以发展。最后国内外对这项技术的研究还不够透彻，所以我们认为研究无线充电技术是十分必要的。设计的基本思路：1、无线充电技术有电磁波传送、电场耦合、电磁感应、磁共振四大主流技术，其中电磁波技术的传送距离最远，但传送过无法避免的空间能量损耗过大问题，使得这项技术不适合小型充电。电场耦合技术中电磁波的耦合着磁泄露会对其周围的生物产生影响。很大的辐射问题。电磁感应着送电距离较短，线圈发热严重的问题，且在充电过，发射线圈与接受线圈必须时刻保持同轴，否则传送效率将会大大降低。2、利用充电线圈的谐即磁共振技术，通过LC振荡电路在发射端调整发射频率，使得发射频率达到副线圈的共振频率，从而使得副线圈发生共振产生交流电流。然后通过四个二极管搭成的全桥式整流电路，对获取的电流进行整流，同时，在整流电路之后加一个RC滤波电路，对电路中的脉动电流进行平滑处理，使得电流更适合充电。这样不仅解决了电磁感应技术上发射线圈与接受线圈必须同轴的技术颈瓶，同时使得充电距离得到了很大延长。现在的技术能力大约是直径1m的线圈，能在1m左右的距离提供60W的电力。这相当于可以在10分钟内为一枚2000mA的锂电池充满电。3、在防止能量的辐射损耗和充电过充电电池的安全问题上，采用无线射频识别技术，通过在上安装主动式，在电量不足时，可向无线充电的发射端发射识别信号，发射端则根据用户之前在其内部的自动调整发射频率使得上的充电副线圈产生共振，从而避免了其他金属或被错误充电或加热而产生的安全问题。同时通过无线传输的方式，把充电电池的实时电压反馈到芯片，通过内置程序算法的运算，自动调整输出功率，从而达到最大利用效率地电能和保护充电电池的目的。创新点：1、利用电磁共无线充电，提高充电效率和性；2、实现一对多的无线充电，可在一定范围内对多种设施进行同时充电；3、利用射频识别技术，自动识别需要充电的，避免了错误充电引起的安全隐患，并能实现一对多的无线充电效果，在电安全的同时实现了电能的最大利用。4、在电池充电达到95%之后，通过算法逐步调低发射电路的输出功率，从而缓慢降低充电电路的电流，使得电池达到真正的满电状态，有效延长电池使用。：由于要实现充电系统的高效率远距离一对多无线充电及其智能功能，采用了一下几项：1、发射部分的构建：这部分利用驱动电路，产生大功率正弦型号，使正弦信号的频率与线圈共振的频率相同，然后通过零比较器输出方波，加载在发射线圈上。如图价电路。共振频率条件为：振幅最大，且，u。、i。的相位差等于0.为了提高线圈的输出效率，根据上述线圈的等价电路，决定调整电容C1、L0。使其满足1L0=C1时就会产生振荡。假设电阻原件损耗的能量为WR，电感、电容原件储能为WS,/WWSR则反映了谐振电路的储能效率。谐振电路的品质因数Q值定义为WQ2=RWS因此Q值越大，发射线圈输出效率越高。在Multisim13中用万用表、图仪计算电路Q值，优化电路提高发射效率。2、RFID智能部分的构建：为了区分移动与异物（如其他金属等），是否为有效充电，本充电系统加入了RFID（射频识别技术）。根据各个充电电池的自身，对进行离线写入对应的数据，把贴在移动上。通过传送，实现对充电设备的智能化充电。3、接收部分的构建：通过制作不同的接受线圈模块，当接受线圈和发射线圈具有相同的共振频率是，在磁场作用下产生谐振，接收线圈和负载线圈通过耦合实现能量传递。为了提高效率同样也需要尽量提高Q值。4、算法的构建：在实际应用中，保证移动充电电池的安全很重要。因此需要准确充电全过程。发送端的器对初级线圈、次级线圈、电池电量、充电时间等参数都应准确把握，实现能充电。无线充电作为目前市场上新兴的技术，由于其技术状态处于起步阶段，无论在实参的关注度和配合度方面不够成熟。但是仍然有令人惊喜的成绩。就目前而言其主要用于消费类手持终端，小型家电等耗电量少，体积小的。目前无线充电技术的市场及应用：例如:只要放在Qi无线充电器上就能完成无线充电的诺基亚手机WindowsPhone8；还有一些无线充电宝等等一些小型充电。四年前的2010年9月，无线充电联盟将Qi标准引入，真正采用该技术标准的在市场上未形成气候，未能成为消费者关注的重点。究其关键在于没有真正实现无线充电技术带来的便利性。目前市场上的无线充电有以下几个弊端：的科学性先进1、无线充电实现距离短:需要让充电在几厘米的范围内，使用起性(必须说明与现来不太方便；有技术相比.该作2、电能利用率低，大规模使用会让费很多电力资源；品是否有突出的实3、没有实现智能化管理，安全性低；质性技术特点和显基于以上几点，大大限制了无线充电技术的推广，使其智能停留于对著进步。请提供技小型电器的充电，没有充分发挥其应有的价值。术性说明和参考文我们所设计的智能无线充电系统采用电磁共，可实现数米献资料)的电能传送，同时可以保证有足够的输出功率和90%以上的电能转换效率；并且我们加入了RFID(射频识别技术)，可实现充电器与移动设备的通信从而实现一对多智能化无线充电。极大地扩大了无线充电技术的应用范围。本在设计制作之前查阅了大量的国内外资料，并进行了相关技术的检索工作，后面附有桂林国际联机检索服务中心出具的查告。参考文献[1];基于左手材料的RFID天线研究[D];华南理工大学;2010年[2];基于RFID的移动目标跟踪系统研究与设计[D];科技大学;2010年[3;基于有源RFID的无线传感器网络的研究与应用[D];浙江工业大学;2011年[4];RFID系统的认证与密钥协商 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 研究[D];上海交通大学;2010年[5]万;RFID天线与测试研究[D];华南理工大学;2010年[6];基于RFID技术的电力通信检修系统的设计与实现[D];邮电大学;2011年[7]俱莹;基于RFID的室内定位算法研究[D];天津大学;2010年[8];双频RFID天线和双频功分器设计[D];大连海事大学;2011年[9];RFID编码管理系统的设计与实现[D];华中科技大学;2011年[10];RFID射频信号的小波消噪研究[D];太原理工大学;2011年[11],;智能充电技术和智能充电机[J];铁道标准设计;1999年12期[12];智能充电模块PS1718[J];电气;1999年11期[13];低成本智能充电器[J];单片机与系统应用;2002年04期[14];新型无接触供电系统的研究[D];科学院研究生院（电工研究所）;2004年[15],,;新型无接触电能传输系统的性分析[J];中国电机工程学报;2004年05期[16]，基于无线通信系统的射频电路和基带模块的研究[M].上海:东华大学,2005.[17]行.模拟技术基础简明[M].第3版.:高等教育社,2005.[18],,，关于便携式新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用,2007(12):1142116.所处阶段A实验阶段□B中试阶段□C生产阶段D________(自填)所展示的形式实物□□模型图纸□磁盘现场□演示图片□样品□录像本采用无线充电技术中最新兴起的磁共振技术，该技术融合了电磁波传送技术的可以远距离、电场耦合的高效率以及电磁感应技术的电路简单的优点，通过实现发射线圈和接收线圈之间的电磁共振，达到电能的无线传送。性的融合了如今技术已经足够成熟与标准的无线射频识别技术。在发射端利用STM32集成作为电路的数据处理，对充电反馈回来的各种数据进行处理。当有充电需要充电并发射信号给接收端，接收端将信号使用说明及该传送给STM32，自动调整电路振荡频率，在达到共振状态下将电池电量充到95%，然后通过算法计算接收端反馈回来的，的技术特点和优实现对电池的缓慢温和充电。延长电池使用。而一对多的充电能势,提供该的力使得本更高效，更易于商业化的推广。适应范围及推广前，智能、平板电脑的屏幕正不断的做大，耗电量大，充电麻烦成为其使用中的一烦，在全球首个推动无线充电技术的标景的技术性说明及准化组织——无线充电联盟成立以来，越来越多的公司加入并致力于市场分析和效无线充电技术的发展。在2013年，全球智能销售量达到6.879亿部，今年更将得到10.5亿部的保守数量。在如此巨大的智能益市场背后，就同时着无线充电技术的巨大发展空间。按中等估计，未来5年内无线充电将达到2亿部的数量，140亿的产值。目前，无线充电技术特别是磁共振无线充电技术发展得到了以MIT、为首的高校和以、三星、微软、为代表的商业集团的大力支持。随着电动汽车的逐步增多，汽车无线充电也将是一个很大的市场。前景十分广阔，相信在的将来，无线充电将触手可得。□提出专利申报申报号_____________申报日期：年月日□已获专利权批准专利申报情况批准号_______________批准日期：年月日□未提出专利申请说明:1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(),也可以附鉴定和应用；3、请按照发明或创新点所在类别填表。C、自然科学类学术申报情况全称□A机械与（机械.仪表.自动化.工程.交通.等）□B（计算机.电信.通讯.等）（在选项上画□C数理（数学.物理.地球与空间科学等）√）□D能源化工（能源.环境..环保等）撰写的目的和基本思路的科学性、先进性及创新之处的实际应用价值和现实意义申报材料（申报一篇，相关资料名称及数量）说明：1、必须由申报者本人填写；2、请按其学术方向或所涉及的主要学科领域填写。D、科学类调查报告和学术申报情况全称所属领域□A□B□C法律□D教育（在选项上画√）撰写的目的和基本思路的科学性、先进性及创新之处的实际应用价值和现实指导意义摘要请提出对一理解、审查和评价所申报,具有参考价值的及中资料来源的检索目录□走访□个别交谈□亲临实验□图片、调查方式□书报□统计报表□影视资料□文件□集体组□自发□问卷□介绍□现场采访□其他_____省(市)______县(区)____乡(镇)_____村(街)___________主要调查及调查数量__________姓名_______________调查__个__人次说明：1、必须由申请者本人填写；2、本部分中的院系、部签章视为对申请者所填内容的确认。2015年桂林科技大学第十四届“杯”全国大学生课外学术科技竞赛校内重点项目立项说明书项目名称：智能无线充电系统二○一四年十一月目录一、研制背景及意义.............................................................................201.1无线充电技术技术概述...................................................................................................201.2射频识别技术概述...........................................................................................................211.3应用需求..........................................................................................................................211.3.1交通领域........................................................................................................211.3.2生产领域...............................................................................................................221.3.3领域.......................................................................................................22二、无线充电系统研究.........................................................222.1、无线充电技术的原理....................................................................................................222.1.1、平面线圈的电磁场特性.....................................................................................222.2电系统性能的关键因数分析...............................................................................272.2.1线圈规格分析与选定............................................................................................272.2.3系统谐振频率分析与选择....................................................................................32三、无线充电系统的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证与实现.................................................333.1系统指标的设定...............................................................................................................333.2原型样机的实现...............................................................................................................333.3系统改进的方案论证.......................................................................................................353.3.1发送端的方案论证................................................................................................353.3.2接收端的方案论证................................................................................................363.3.3系统方案的论证....................................................................................................363.4无线充电系统的实现......................................................................................................373.4.1发射端的电路设计................................................................................................373.4.2接收端的电路设计................................................................................................403.4.3系统ID认证的实现..............................................................................................413.4.4系统指标测试与实现............................................................................................413.4.5系统的技术特征....................................................................................................423.5无线充电系统的 工作流程 财务工作流程表财务工作流程怎么写财务工作流程图财务工作流程及制度公司财务工作流程 ...............................................................................................42四、系统的性能指标.............................................................................434.1线圈的规格说明及功能概要...........................................................................................434.1.1发射线圈规格........................................................................................................434.1.2.接收线圈规格........................................................................................................434.1.3系统测试结果分析................................................................................................444.2系统优化策略...................................................................................................................45一、研制背景及意义1.1无线充电技术技术概述无线电能传输(Wirelesspowertransmission，WPT)，指通过电磁场或电磁波实现电能无线传输的技术。这一设想最早由被誉为“交流电之父”、“无线电先驱”的发明家(NikolaTesla)在1889年提出。此后的一个多世纪，人们没有停止对无线输电技术的研究，先后出现了微波式无线输电、感应式无线输电。但是，多年以来以这两种技术为基础的无线输电，并没有取得大的进展，这也是无线输电没有得到商业化的主要之一。直到2006年11月，麻省理工学院(MIT)的MarinSoljacic教授和相关研究利用一种新的技术——磁耦合谐振技术，点亮了一只相隔2.1m远处60W的灯泡，实现了电能中距离的无线传输，了一直以来制约无线输电技术发展的瓶颈，再次掀起了国内外对无线输电研究的热潮。该技术优势在于，系统正常工作时，发射端产生辐射的电磁波，而是在在其周围形成一个非辐射的交变磁场，使得接收端发生共振，能量在传输过几乎不损耗，与电磁感应式无线输电技术相比，其电能的消耗理论上减小约一百万倍，另外在远距离输电时，它的磁场强度接近地球磁场强度，所以根本对人产生不良影响。1.2射频识别技术概述RFID射频识别技术是20世纪90年始兴起的一种自动识别技术,它利用射频信号通过空间耦合实现无接触传递并通过所传递的达到识别目阅读器发出的特殊射频信号,就能凭借感应电流所获得的能量发送出在中的,或者主动发送某一频率的信号,阅读器并解码后,送至系统进行有关数据处。RFID技术应用形式为标记、卡和。标记由RFID和天线组成,标记类型分为三种:自动式,半式和被动式。现在市场上开发的基本上是式RFID标记,因为这类造价较低,且易于配置。被动标记运用无线电波进行操作和通信,信号必须在识别器的范围内,通常是10英尺。这类标记适合于短距离识别,如剃须刀或可移动刀片包装盒这类小商品。RFID芯片可以是只读的,也读/写方式,依据应用需求决定式标记采用电擦写可编程只读器,便于运用特定处理向上面写数据。标记在出厂时都设定为只读方式。1.3应用需求非接触无线充电系统采用电磁感应藕合方式进行电能传输,克服了传统的导体接触传输方式带来的磨损、点击、火花、噪音等一系列缺点和不足。该系统的研究必将导致大量的新的研究领域的出现和产生新的增长点,使电能的应用更为广阔,必将打破其在化工、钻井、工矿、水下探测等特殊行业中的某些场合下的电工馈电的限制,开拓如电动汽车、高速磁浮列车馈电以及在生物医学、家用电器等方面的应用,并带动相关技术的发展。1.3.1交通领域随着人们环境意识的提高和对石油资源耗尽的警觉,未来的交通系统将逐渐向着绿色、环保、电气化的方向发展。未来的交通系统供电需求将为非接触电能传输提供广阔的市场。电动车是唯一满足零排放的车辆,它通常需利用蓄电池储能,需要反复进行电池充电。近年来,环境意识和石油资源耗尽的可能性使人们更重视电动汽车的研究发展,而电池充电将是未来的电动汽车的一个重要问题。采用非接触能量传输系统为电动车供电,具有一定优越性"诸如,当采用车载充电器时,传统的充电系统在交流电源端,整个系统几乎都在车上,而非接触电能传输方式实现初、次级线圈之间分离,从而大部分的可以置于车外。1.3.2生产领域现在的生产行业正逐步向着机器化、智能化方向发展。采用该系统供电可以保证能量和信号的安全、可靠的传输。目前大量的文献正在研究利用非接触线圈藕 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 时进行能量和数据的传输,通过信号的双向传输,实现系统的智能。1.3.3领域目前个人数字助理(PDA)、、数码相机等大量出现,这些的能源供应问题也是非接触充电的应用领域之一。很久以前,利用电磁感应进行非接触式电源传输的技术。向输电端线圈加入交流电,输电端和受电端之间就会产生互感,从而使受电端产生电能。以往的充电系统之所以输电效率低下,是因为需在铁心上缠绕导线,并使线圈匝数尽可能增多的缘故。线圈匝数增多,可以提高受电端线圈的输出电压,但铁心所产生的损耗和线圈所产生的损耗使输入的部分电能变成热量消耗掉了。因此以前为了增加线圈的匝数,使用的细导线。所以就导致了线圈无法传输大电流的问题。针对这一问题,可以采用平面状线圈,而不再使用铁心,并且线圈匝数也大大减少。这样,大大降低了铁心和线圈造成的损耗。因此,该技术具有广泛的需求,无线充电技术的研究不仅有重要的科学意义,而且有明确的实用价值和广阔的应用前景,可能带来显著的和效益。利用非接触电能传输系统,通过电磁感应原理进行能量传输,系统供电的安全性、可靠性和灵活性决定了它的巨大应用潜能。二、无线充电系统研究2.1、无线充电技术的原理2.1.1、平面线圈的电磁场特性源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产生电动势，同时向其电容充电。当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。没有负载(线圈的寄生电阻)消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达到最大值(各时刻两线圈包含的能量之和)；若系统有负载消耗能量，源线圈将源源不断的向负载线圈传递能量，实现无线能量传输。根据全电流定律，源线圈周围产生磁场应遵循：（2-1）同时，接收线圈需满足各向同性介质的本征：（2-2）式中γ——绕制线圈导线的电导率。 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (2-3)表示接收线圈中，电场E2与电流密度J2的。没有负载消耗能量，应用矢量磁位计算源线圈与负载线圈铰链的电磁能为：（2-3）式中W2——源线圈与接收线圈振荡交替的磁场能/电场能；A12——源线圈在接收线圈位置产生的矢量磁位。由式(2-3)得到源线圈与接收线圈之间交替的无功功率为：（2-4）式中Q2——接收线圈包含的无功功率；Ψ12——源线圈与接收线圈的耦合磁链。磁场为单一频率激励源时，功率表达式(2-5)简化为集中参数形式：（2-5）式中ω1——源线圈激励的磁场变化角频率；i1,2——分别为源、接收线圈的电流；M——源线圈与接收线圈之间的互感。线圈的磁场作用可看作是两线圈之间的互感抗。耦合谐振系统的各部分参数：线圈自感、互感、谐振电容、线圈电阻，以及消耗电能的负载电阻。2.1.2近场能量耦合原理的应用耦合模公式体系是普遍适用的，可用于处理多种谐振模式或者传输模式的。应用耦合模公式建立磁耦合谐振式无线能量传输系统中，谐振体之间的耦合。磁耦合谐振式无线能量传输系统中，单个谐振线圈可等效为一个LC电路：（2-6）根据欧姆定律得到电路中各元件的电压、电流如下：（2-7）结合电压定律及以上两式得到谐振的微分如下：（2-8）式中i——谐振电路的电流；v——电路中电感两端电压；应用等效电路中的电压、电流变量定义两个复变量：（2-9）设谐振电路电流，则，（2-10）由此：LCa=ji2LLCL=cos()0+jtIsin()0tI+2LCL()tj+=Ie02（2-11）（2-12）式中a+——模式幅度的正频率分量，物理意义：表示电路中的能量。则可用两个一阶微分代替谐振电路的微分：（2-13）因为a+和a-为共轭复数，所以谐振电路可简化为一个一阶微分表示。以下分析应用a+及相关，不再加下标+。电路自身电阻能量损耗相对于电磁振荡能量很小，作微扰处理，引入损耗项（2-12）式中τ0——谐振线圈损耗系数，求解过程如下：由公式得2a随exp(2t/τ0)的规律而衰减，又能量递减的时间变化率即为功率耗散（2-13）谐振电路中，耗散功率与电磁振荡能量的为：（2-14）式中Q——谐振电路的品质因数。因此，τ0=ω/(2Q)。2.2电系统性能的关键因数分析2.2.1线圈规格分析与选定从几何形状看，线圈的种类繁多，如圆形线圈、方形线圈、环形线圈等。相对于其他几何形状的线圈，圆柱线圈具有的最大优势在于：每体积绕线所产生的磁场最大。对于采用密绕的圆柱单层螺旋线圈，导线采用电导率较大的铜芯漆包线，以减小线圈自身电阻。根据传输距离、功率的不同要求，采用不同的线圈。密绕环形电感线圈的电感可由下式计算：（2-15）式中N——线圈的匝数；r——线圈的半径；a——导线的截面半径。据麻省理工学院(MIT)研究发现，具有相同谐振频率的物体组成耦合谐振系统(如声音、电磁场、核子等)，可高效率的交换能量。相对于其他介质，磁场更适合生活应用，提出了以时变磁场为耦合媒质的电磁谐振实现无线能量传输。故本课题测试应用稀绕的圆形螺线管作为实现无线传输能量的电磁谐振体。螺线管半径r=30cm，导线半径a=3mm，匝数n=5.25，螺线管绕线间的杂散电容充当谐振体的谐振电容，螺线管宽度h=20cm；螺线管谐振频率f=9.9MHz，理论计算品质因数Q=2500，实际测量品质因数Q’=950。2.2.2系统传输效率，是无线电能传输系统等效电路模型，主要由4个部分组成：激磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈，它们之间的耦合系数分别为：M12、M23、M34。（2-16）设流过激磁线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的电流分别为I1、I2、I3、I4，根据电压定律(KVL)得到以下：（2-17）处于谐振状态时：（2-18）所以得到：（2-19）将（2-19）式代入到（2-17）式，解出得到：（2-20）式中：那么系统总功率和负载功率分别为：无线电能传输效率为：（2-21）2.2.3系统谐振频率分析与选择磁耦合谐振式无线能量传输是以时变磁场为媒介，当外加激励源的频率的谐振频率相等时，谐振体耦合谐振实现能量传递达到最好状态。因此，两谐振体谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。耦合模理论，不计损耗情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间可实现能量的完全交换；当κ>>τ时，即耦合能力远大于自身损耗的情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间“强耦合”作用，可实现无线能量传输耦合系数体现了谐振体之间的耦合能力，对实现无线能量传输起到的作用。损耗系数在能量传输系统中的作用丝毫不逊于耦合系数，二者共同决定了系统的耦合程度。系统中损耗功率增加，则通过磁场从一端耦合到另一端的功率所占比重减小，因此，损耗系数的减小与耦合系数的增加均可以增大系统的耦合程度。设两个谐振线圈的完全相同，谐振电容相等，且谐振线圈在同轴线上。由强耦合关系得（2-22）式中μ0——真空磁导率，μ0=4π×10-7；σ——取铜导线的电导率σ铜=5.998×107S/m。中距离的无线能量传输，线圈半径r与传输距离d是同一数量级的，线圈导线线径D为是10-3m数量级。因此，若要“强耦合”(κ>>τ)式成立，则系统的谐振频率f至少为106Hz上下。另一方面，磁耦合谐振无线能量传输系统是以时变磁场为传输媒介，不向外辐射电磁能，所以电磁波长远大于传输距离(λ>>d)。中距离无线能量传输的距离传输范围大体为几十厘米到几米，因此能量传输系统典型频率f范围为0.5~25MHz最好。三、无线充电系统的方案论证与实现3.1系统指标的设定在对无线充电系统进行方案论证之前,首先设定系统预计达到的各项指标,作为测试基于RFID的无线充电系统的理论依据,通过不断的测试系统、分析测试结果、提出改进措施,最终使系统达到预设指标。因此,设定的指标可作为检验无线充电系统的论证方案是否具有可行性,最终的系统实现是否具有实用价值。对于无线充电系统指标的设定,可以参考目前有线充电器的指标,如果所设计的无线充电器能够达到目前有线充电器的,即达到了本研究的目的。目前铿离子电池的参数为1000mAh-1500mAh,充电时间不超过3小时。假如对于1500mAh的电池,其充电电流不应低于5OOmA,充电电压在5V左右即可。上述有线充电器的指标,下面给出无线充电器的系统指标。本设计的系统指标两个方面,其一是功能性指标,即实现的无线充电系统具有ID识别功能,本研究的无线充电系统主要这类,因此无线充电系统能够对进行验证,对进行安全、可靠的电能传输。其二是充电的参数指标,充电功率在2-3W之间：充电效率不低于60%。3.2原型样机的实现研究初期,从系统简易的角度出发,设计了一个无线充电系统的原型样机。其组成描述如下:该原型样机供电电源是5V的交流电压,发送端的驱动电路采用了多个门电路驱动,接收端进行整流、滤波、稳压之后给电池充电。祸合线圈(发送、接收线圈)采用的是单股平而结构。其内部电路图如下:图3-1原型样机图3-1原型样机的测试数据如下:设发送端电压、电流分别用U1、I1表示,接收端电压、电流分别用U2、I2表示。发送端Ul=4.99V,I1=660mA接收端U2=4.15V,I2=340mA则样机的充电功率:P=U2xI2=4.15Vx340mA=1.41W(3一l)充电效率:η=（U2xI2）/(U1xI1)=(4.15x340)/（4.99x660）=42.8%(3一2)由此可见,充电功率和充电效率都达不到预定的系统指标。需要根据电功率、充电效率的关键因素出发,对系统设计方案进行改进。3.3系统改进的方案论证本研究的无线充电系统将作为主要的市场,对非接触电力传输功能的充电器进行研究开发,并且配备ID认证功能,具有高度安全性,非接触充电器的电能发送部分对终端进行认证,从而确定是否为有效的待充电对象,并选择最佳充电特性,可以大幅提高铿电池等二次电池的安全性。无线充电系统包含电能发送端和电能接收端,下面具体给出该无线充电系统实现方案的论证。3.3.1发送端的方案论证无线充电系统的电能发送端对应于充电系统的充电器端,在本中研究的充电系统,不仅要实现电能的高效率的传送,同中还嵌入了RFID技术,实现对待充电端的ID识别功能,因此该无线充电系统在某种程度上实现了智能化,大大提高了系统充电的安全性。下面给出电能发送端模块的实现方案,发送端框图如图3一2示图3一2电能发送端的设计是以微器为,一方面电路中RFID的,判别是否为有效的待充电端;另一方面,当ID认证通过时,则驱动电路开始工作,实现电能的传输。电能发送端包含两个功能模块,即能量模块和能量发送模块,其中能量模块主要对能量发送模块进行;并检测能量发送模块的状态,保证能量传输正常。3.3.2接收端的方案论证无线充电系统的电能接收端对应于等便携式终端。由于接收线圈足够的小巧,则很容易集成到待充电终端的电池端。同时,电池端要贴有与电能发送端相对应的RFID,使得在待充电终端靠近充电器端时,能够通过验证,顺利的完成充电。下面给出电能接收端的实现方案,接收端框图如图3一3示。图3一3电能接收端的设计相对比较简单,主要由接收线圈的振荡电路,通过与发射线圈的电磁感应接收电能发送端传送的能量。在充电的过,接收线圈得到交变电流,然后通过整流回路!平滑滤波回路,得到的直流,同时为了实现高效率充电技术,将得到的直流在通过一个直流一直流升压器,最后连接到便携式终端的电池端。电能接收端包含两个功能模块,能量模块和能量接收模块,其中能量模块主要对能量接收模块进行,保障整个充电过程的安全。3.3.3系统方案的论证无线充电系统的实现方案是上述的整合,即两部分,分别为接220V交流电的电能发送端和给便携式终端电池充电的电能接收端"将待充电终端放到充电器上,打开设在电源端的充电开关,电能发送端发出验证,电能接收端收到验证后发出确认,验证通过后,电源端即为该电池充电,并且电能接收端可以自动检测充电状态,充电到90%时指示灯亮。电能接收端电路在电质量和安全的前提下,要做的尽量简单,做到体积小、质量轻、散热快、安全性高,为置入、笔记本电脑等移动通信工具做好必要的准备。系统整体框图如图3一4示图3一4综上所述,完成了无线充电系统的方案设计和分析。此系统的设计可以完全代替再回收再利用方面几乎没有进展的各种各样的AC适配器,也可以解决将插座电源接入时,现行充电器的待机电力损耗问题,在节约能源方面也做出了贡献。并且,能大大简易了防水、防尘等的终端机开发,使其更具备便利性。3.4无线充电系统的实现3.4.1发射端的电路设计在确定了电能发送端设计方案的前提下,给出其具体的电路设计,同时也对的选择及功能进行了。在电能接收端,其微器的选择是最的部分,它不仅需要产生驱动电路所需的振荡频率,同时也需要RFID组件与电能接收端进行交互。在本研究的无线充电系统中,采用的微器为MC68HC908QB4,其规格如下:RAM/ROM:128byte/4Kbyte(FLASHROM):内部振荡电路:16MHz;工作时钟:4MHz;电源电压:5V+10%-3V+10%或者5V-10%_5V-10%,采用3.3V。表3一1列出了微器MC68HC908QB4的引脚及其连接说明表3一1于(微器)R(电阻)振荡,微器内部内藏振荡电路,在OSCI终端连接电阻可在任意振荡频率中工作.下面解释微器的电阻振荡特性,并且显示驱动电路的输出频率.MC68HC908QB的电阻振荡特性,如上图3一6:在TimeroutputCompearmord()上输出时钟可变范围,电源电压为3.3V,实际检测数据:1.3us一25us,外接50K。的可变电阻,可得到的振荡频率范围是39.0625KHz一769.23KHZ。通过调整R,来微器的输出频率,调至整个系统的共振频率,从而达到最佳的能量传输。为了使无线充电系统能够进行能量传输,不仅需要上述的器,而且还需要设计发射线圈的驱动电路。其发送端驱动电路图,如图3一7示。图3一7上述驱动电路的采用AvagoTechnology公司的HCPL一8100/0810,其供电电压为5V+10%或者5V-10%,消耗电流为45mA(max)时输出有效状态,并且可以调整振荡频率在ZooKHz-500KHz,3w以上。将微器电路图和发射线圈驱动电路图按照对应的引脚进行连接,从而完成整个电能发送端电路图的设计。电能发送端使用的电源规格如下外部电源规格:5V+10%或者5V-10%1A~2A(max)内部电源规格:3.3V+10%当所需电压为5V+10%或者5V-10%时,则由外部电源直接供应,如上述发射线圈的驱动电路。3.4.2接收端的电路设计根据电能接收端的设计方案和分析,下面给出电能接收端的设计电路。电能接收端的基础电路图,如图3一8图3一8在实际的充电过,发送线圈和接收线圈间进行电磁藕合,得到交变电流,然后经过一个桥式整流电路，整流电路的输出电压虽然是单一方向的,但是脉动较大,含有较大的谐波成分,不能直接对电池进行充电,因此需要在连接一个RC滤波电路,滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。在理想的情况下,在滤波后只保留直流成分,而滤去所有的交流成分。最后,为了提高充电效率,还需要加一个DC一DC变换器,最后连接便携式终端的电池,对其进行充电。3.4.3系统ID认证的实现RFID技术嵌入到该无线充电系统中,可以保证只有在充电器和特定的有效待充电装置对应时刁-实现充电功能的机制。通过分别集成在充电器和中的相互交换的几十位ID,可以防止给认证的或其它物体充电。从而减少对误置于充电器上的便携式设备进行充电的事故,并且减少充电器用的。下面RFID在系统中进行ID认证的流程及RFID的初始化时序图。本研究的基于RFID的无线充电系统中,采用的是Aitteehnology公司的ASI-4000品,ASI-4000是13.56MHzRFID组件,其供电电源为3.3V。3.4.4系统指标测试与实现在本小节,通过上面对原型样机设计方案的改进,对最终设计的系统进行指标测试,并对测试结果进行分析,具体说明完成系统设计的过程。对比预先设定的指标,采取改进措施,从而完成系统的设计。原型样机中,发送端和接收端的线圈都是单股的,而且接收端线圈的交流电流经整流、滤波、稳压之后直接给电池充电。使充电功率和充电效率都达不到预定的系统指标。考虑到传输端对与充电效率的影响很大,我们在线圈的上做了一些改进,发送端线圈和接收端线圈均采用多股,这样增大了发送端和接收端线圈的平面面积,则能量祸合过,其等效电阻变小,则祸合效率提升。另外,在接收端得到的电流经整流!滤波电路之后,不可避免的有电能损耗,因此考虑加一个DC-DC变换器,提升的充电电压,也有助于提高充电效率。改进后的系统测试数据如下:发送端U1=5.1V,I1=590mA接收端U2=6.6V,I2=300mA则样机的充电功率:P=U2xI2=6.6Vx320mA=2.11W式(3-3)充电效率:η=(U2xI2)/(U1xI1)=(6.6x320)/(5.1x590)=70.2%式（3-4）则系统测试结果达到了预定的系统指标,从而实现了无线充电系统的设计，当然,还可以从多种角度进一步的提升系统指标。例如,对于线圈可以采用磁技术,减少漏磁,一方面降低辐射,降低干扰;另一方面,也减少了电磁损耗,有利于增加发送端和接收端线圈的祸合效率,从而提高系统充电效率。对于发送端,调整线圈的驱动频率至整个系统的共振频率,也有助于提高系统的充电效率。因此,经过反复的进行系统测试、数据分析、电路改进,使系统最终达到预定的系统指标,至此,初步完成了无线充电系统的设计。3.4.5系统的技术特征是基于RFID无线充电系统的研究,实际上也是一个非接触式充电器的完整设计过程。该系统是一个和能量的集合体,一方面实现了电能的无线传输,即电能发送端和电能接收端在完全没有物理结合的情况下,完成能量的传输。另一方面,系统内置RFID,电能发送端通过射频识别技术对电能接收端进行的识别和验证,即充电器端能够便携式的,并置于其端的物体是否为待充电,从而实现能量安全、有效的传输。该无线充电系统具有以下技术特征1.无线充电系统的电力传输采用空芯对空芯线圈,从而达到薄型化的目的,适合嵌入到、笔记本电脑、PDA等便携式中。2.为了提高能量传输效率,线圈采用了平面近场能量祸合结构,专为末端特别开发。3.具备ID认证功能,确保了的安全性、可靠性。4.降低成本。对于不同的或者相子而型号不同,如果基于有线充电器,为了保护好,都采用一对一的充电方式。这样既浪费了资源,同时也不利于环保。而如果采用中设计的无线充电器,只要便携式中集成了合理规格的藕合线圈,就可以给不同的进行充电,实现充电装置通用性的同时也降低了成本。当然,本设计的无线充电系统也着不足之处,比如无线充电系统进行ID认证的过程,因为ID认证是通过RFID技术来实现的,即射频识别,本采用的是13.56MHz的RFID,而无线充电系统的电能传输也是通过电磁场祸合技术,二者着干扰问题,在实际的应用中,有必要再做更进一步的探讨。3.5无线充电系统的工作流程为了使整个充电系统的充电过程更加清晰,下面一下所设计的无线充电系统的工作流程:1.电能发送端AC电源,空芯线圈先送电,电源电路处于最小耗电状态。2.电能发送端开始探寻待充电,如探寻,则检测对方的ID,初步认证是否为有效的可充电。3.如果为有效的可充电,则电能发送端检测待充电,对进一步认证,即产品名称、生产厂家、电池类型、电池容量、电量状态等。4.电能发送根据给待充电充电,同时启动电能发送的异常检测系统,检测并通过指示灯显示充电效率以两个空芯线圈的祸合状态,指示灯为红色,说明线圈没有达到最基本的祸合,这样的充电效率不够,无法进行充电操作,此时需要调整间的位置；指示灯为红色闪烁,说明线圈祸合基本符合要求,可以进行充电操作,只是未达到最佳祸合。但如果不能满足待充电的快速充电的要求,电能发送会以牺牲充电效率为代价,调整充电功率；指示灯为绿色闪烁,说明线圈达到了最佳祸合状态,电能发送正在给电池充电,充电效率比较高。指示灯为绿色,说明电池已经充满。5.在充电过,实时监测待充电的充电状态。通过指示灯显示充电状态,如4中所述,指示灯为红色闪烁或绿色闪烁说明正在进行充电,指示灯为绿色则说明充电完毕。充电过产生异常或是电池处于充满状态,则停止充电。电池未充满且无异常发生,则继续充电,直到充满为止。无线充电系统的工作流程图,如图3一11:四、系统的性能指标4.1线圈的规格说明及功能概要4.1.1发射线圈规格电极:直径50mm电源:5.3V,500mA以下供电频率:2OOKHz-50OKHz最大输出:ZW-SW内部消耗电流:充电过,约为10mA;待机状态时,为3mA以下。4.1.2.接收线圈规格电极:直径30mm最大负荷电力:5.OV,480mA以下最大输出:1.2W-2.4W内部消耗电流:5mA,内部电源的消耗电流综上,对于内部消耗电流,取决于功能及工作状态,待机状态。4.1.3系统测试结果分析通过第二影响无线充电系统充电效率的论证,可知其不仅受确定因素的影响,例如着重强调的传输端对充电效率的影响,即线圈的规格、空间距离、位置等因素的影响；同时