基于磁共振的电子设备非接触式便捷充电系统的研究

基于磁共振的电子设备非接触式便捷充电系统的研究(Based on magnetic resonance of electronic equipment non-contactcharging system research)一、立项依据(一）现状与背景分析现状分析:传统的供电方式需要导线将电源和设备连接起来，在户外及环境恶劣的场合，这种供电方式存在弊端，例如易受天气的影响、接触及碳积会引起火花等。

而采用非接触的方式供电具有方便、安全、可靠等优点。

非接触式电能传输不需要引线，在一些特殊场合得到了应用例如户外、水下、矿井、材料处理、生物医疗及移动负载等。

例如，给一些封闭式的东西充电，由于不再好打开其封装，所以非接触式充电正好可以解决这个问题。

无线鼠标已经得到了广泛应用，但是其电池使用一直存在着问题。

无论是干电池的不断更换还是充电电池的不断充电，都给用户带来了不便，很多人只是买来用了一阵后，因为电池问题又换回了有线鼠标。

同时，电池的使用会造成很大的浪费，也给日益脆弱的环境造成了污染。

（二）学术价值：目前在市面上比较常用的几种无线充电技术中，大约有四种，在目前使用的四种无线充电技术中，电感耦合在价值链中应用最为广泛，其它几种技术包括传导、近场磁阻技术和远场磁共振。

我们在这里主要是针对有USB接口的电子设备实现基于磁共振的非接触式便捷充电的研究。

1、对磁共振无线充电技术进行深刻的实践。

2、利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振。

3、在鼠标上做一个标准大小的USB端口，另外做一个有接受装置的USB插头，这样就能实现电能的无线传输了，类似的，插在电子设备USB接口的接收器能够将接收到传输过来的电荷，将电能作用于所接的负载，也能够实现普遍的电子设备的无线充电。

4、这一系统对处在充电场的人完全无害，因为电量只在以同一频率共振的线圈之间传输。

如果在日常生活中各种电子设备里普及的话，会给人们的生活带来很多的便利。

5、我们做的这个项目主要方面是来源于磁共振无线充电技术，对于现今这个对于电量十分“饥渴”的现状，如果能够实现的话，能够彻底的改变类似于无线鼠标等耗电量大且充电不方便的电子设备的现状，使人们的日常生活过的更加顺畅如意。

（三）应用价值：目前无线鼠标的电池方面的问题，向来很受到电脑用户的关注，很多人都有同样的感触，那就是无线鼠标用起来很方便，但是它的电量低以及费电，充电、换电池频繁，造成了很多最后摈弃了这一先进的发明。

我们这项技术正好解决了这个问题。

1、无线充电技术摆脱了不仅是无线鼠标，还有其他的电子设备对于数据线的需求，带来了很多的便利，当你在户外享受刺激的野营，去外地出差的时候，往往很多时候行李很多都是缠绕的数据线，很容易把线弄混和丢失，十分的不方便，但是无线充电解决了这个问题。

我们只要将安装了接收器的USB插头，插在具有USB端口的电子设备上，再由发射器发射能量，电子设备就能充电了。

2、还有很多的电子设备是封闭式的，不能换电池，也没有端口能充电，无线充电技术也是很实用的，只要在其内部装上接收器的话，外部有发射器发射能量，充电问题就能迎刃而解了。

（四）已有的研究实践基础：1、小组所有成员都进行了《电子电路分析》、《模拟电子线路基础》、《C程序设计》、《C++面向对象程序设计》、《数字电子技术基础》等课程的学习，有扎实的理论基础，并且所有成员都进行过物理、数字电路和模拟电路的实验，具备一定的实践经验和动手操作能力。

2、小组成员积极地到国家图书馆查找资料，并通过老师的介绍参考了大量的文献，同时主动的和资深指导老师交流，已初步了解非接触式充电等技术。

3、小组成员切实到中发电子市场上考察，积极的搜集了所要用到的设备的具体的型号和市场价格，为之后的实践提供坚实基础，做到花得最少，做到最好。

（五）团队成员及优势1、学院配有专门的创新实验室及实验器材，并配有专门的指导老师进行指导。

指导老师为信息工程学院电子信息工程系老师，在电子设计与开发方面有着多年的实践经验，多次指导学生参加全国大学生电子竞赛和北京市电子竞赛，并取得了优异的成绩。

2、本团队共有3名成员，都具有扎实的专业理论知识，同时小组成员成绩优秀，且在团队导向、电路模拟设计、电路板制作方面各有擅长。

具有较强的理论底子，同时动手实践能力也较强。

3、小组成员有强烈的求知欲、创新精神、团结意识和坚持研究的毅力，并努力将想法付诸于实践，善于从实践中积累经验，在所有成员的团结协作下，本项目会按时并且出色地完成。

二、研究内容、目标、要解决的问题和主要特色(一) 研究目标无线充电技术作为一种新兴的充电技术，可以使人们轻松摆脱电源线，实现无时无刻充电。

无线鼠标已经摆脱了数据传输所需要的线缆，但是仍需要电池的支持，既不方便也不环保。

本研究以无线鼠标为例，旨在设计并制作为无线鼠标及其他具备USB接口的电子设备(如MP3、手机等)进行远距离无线充电的系统，该系统由电能发射电路模块（发射器）、接收转换电路模块（接收器）、供电电路模块（输出）组成。

（二）研究内容1、系统组成：本项目设计的系统分为三大模块：电能发射电路模块（发射器）、接收转换电路模块（接收器）、供电电路模块（输出）。

（1）结构图如下：I II IIII.发射器II.接收器III.输出各模块组成为：两个具有相同谐振频率的振荡器(Source和Device)、驱动电路（Driving）和输出电路（Output）。

（2）流程图如图2：图22、系统工作原理：利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成。

如图1，高频交流信号输入到驱动电路。

Source振荡器通过电磁感应从驱动电路取得能量，通过磁场共振强耦台，能量通过“隧道”被传递到Device，与负载直接相连的输出电路通过电磁感应取得能量。

系统的设计基础在于两个振荡电路之间重叠存在的瞬逝波耦合。

虽然Source和Device之间的非辐射耦合随两者距离有所衰减，但是从理论上说，未被负载吸收的部分能量会返回发射端。

从而不会对效率影响很大。

具体到无线鼠标，发射器封装后接到PC的USB接口上，由PC供电，并由Source传输能量，Device和Output封装在一起，由Device接收电能并传递给Output，Output用标准的USB端口输出，无线鼠标端，我们设计USB接口来代替传统的电池供电。

由于大多数电子设备（MP3、MP4、手机等）可以由USB口充电，针对不同的电子设备，我们只需在输出端设计不同标准的USB端口即可。

3、主要技术介绍：（1）磁共振技术实现无线电力传输：共振原理：当一个物体与另一个物体的频率一样时，就会产生震动。

当两个物体的振幅相同时，它们传递能量的强度不会受到周围事物的影响。

同样的道理应用到该技术研制出被称为“磁场耦合共振器”的无线电力传输装置。

实际上，这个装置就是一对铜线绕的线圈。

所用的铜线直径为3厘米，线圈的半径为25厘米，彼此相隔2米远．振动频率相同。

一个线圈连接的插头可直接插入墙上的，另一个线圈则连接了一个60瓦的灯泡。

不管两个线圈之间有任何障碍物．只要连接的线圈一通电．另一个线圈所连接的灯泡就立即被点亮了。

这一技术为电能的中等距离无接触传输提供了可能。

（2）振荡器设计国际电信联盟(Internatlonal TelecommuNication Union．ITU)分配给工业、科学和医学(Industrial．Scientific and MedicaL，ISM)设备的自由辐射频率为3.56MHz，27.12 MHz，40.68 MHz，245GHz等。

在这些频率范围内的电碰辐射强度不受限制。

基于以上标准，在设计振荡器时．要尽量限制其振荡频率在此范围之内。

频率越高，波长越短．为限制其在近场距离内，频率不宜太高．故而我们设计的电路频率大约在7MHz左右，波长为40m左右。

振荡器电路由电容和电感组成LC谐振电路，其谐振频率要与驱动电路频率一致。

为了更加便捷，系统体积要尽量小，可以采用薄膜平面线圈形式。

（三）创新点1、利用磁共振实现无线鼠标的远距离无线供电，摆脱了电池和线缆，更方便、更环保。

2、我们在实现鼠标无线供电的基础上，进而实现为其他电子设备进行无线充电，挖掘出了其一部分潜在价值，使这项技术拥有更大的应用价值和现实意义。

3、该系统基于现有的无线鼠标无线数据传输，在原水平上延伸创新，集无线数据传输于无线充电于一体将理论与实践科学化结合。

4、具有环保理念，往常的充电方式无非是电池，这样废弃的电池越来越多，造成了环境污染，在如今这个讲究低碳生活的年代，环保又便利的无线充电无疑是最好的选择，这一系统对处在充电场的人完全无害，因为电量只在以同一频率共振的线圈之间传输。

如果在日常生活中各种电子设备里普及的话，会给人们的生活带来很多的便利。

5、能够拓展延伸，具有很大的潜在价值，例如能够实现无线数据传输等功能。

（四）特色1、社会效益：无线充电市场需求量很大，据估算，2013年，无线充电设备的全球潜在市场容量接近180亿美元，到2014年，无线充电设备的出货量将达到2.5亿台。

该系统具有巨大的潜在价值以及社会效益。

2、从无线鼠标入手，使无线鼠标彻底抛弃电池，为用户带来的更便捷更环保的体验。

同时我们将无线供电技术扩展到其他具有USB端口的电子设备（MP3、MP4、手机等）中，为其无线充电提供了解决方案，前景广阔。

（五）有待解决的问题由于目前我们查阅的资料有限，专业课程学的也不多，项目中所需要的几大块知识（如磁共振技术等）还没有掌握，同时现有的电子电路知识也很有限。

所以在做的过程中我们会遇到很多困难，很多的疑问，但我们一定会主动学习，多查阅资料，并及时与指导老师沟通，相信我们有毅力也有能力克服困难。

就目前而言，我们认为有以下一些待解决的问题：1如何在远距离传输电能的同时做到传输效率的最大化。

2如何设计合理有效的集成电路，实现效果的最优化以及体积的最小化。

3针对不同标准的USB接口如何设计接收器。

三、预期效果与具体成果关于无线鼠标的电池问题，其实是最受争议的，包括大家用的是什么电池，容量是多少，鼠标耗电量是多少，使用时间，使用环境和鼠标垫材质等等，这些都是不定因素，没有标准。

正常来说，不要太短时间就好。

根据很多同学和老师的反应，无线鼠标的耗电十分厉害，有的几天就要换电池，这样周周复始的，会造成很大的浪费，也给日益脆弱的环境造成了污染。

我们研发的电子设备非接触式充电系统基于磁共振技术。

示意图如下：最多可捕捉多达70%的无线电讯号能量，然后转化为直流电，为负载供能。

整个系统包含了两件东西，一个是插在插座上的发射器，另一个是在电子产品上，跟硬币大小差不多的接收器，这两部分是技术的核心，只要在一定的范围内，电能能够瞬间自发射器传到对应的接收器。