【正文】 該端與外部檢測電阻一端直接相連，通過檢測該管腳上的電 壓值，得出流過檢測電阻的電流，即充電電流。充電管理芯片bq2057C采用直流電源供電，本文設定供電電壓恒為+5V，輸出電流隨 充電電流變化而變化。在恒流充電階段，充 電電流階躍為正常充電電流Regulation Current,此直流電流值可通過bq2057C外圍電路設 置，期間隨著充電的進行，電池端電壓從最低充電電壓閾值％開始繼續(xù)近似線性增加，直到達到標準充電電壓amp。圖中實線為充電電流，虛線為電池端電壓。本章最后部分介紹了整流逆變電路，推導了交流等效電 阻與直流電阻的關系。,幵關管關斷時承受反向電壓為163。r]上變化時，上式修正為：計算電壓％的直流輸出平均值％為：對于由全橋整流器和濾波電容組成的整流電路，討論分析其交流等效阻抗與直流 阻抗昊的關系。 171。sin((uth晶閘管VTdDVT2組成一 對橋臂，乂丁3和165。實際上很少采用此種電路, 僅作理論上的分析研宄。輸入電壓％為正弦交流電壓，輸出電壓％為負載端電壓，％、的波形圖如下 。 整流與逆變電路 整流電路本節(jié)只簡單討論單相整流與逆變電路，三相整流逆變與本課題研究無關，不再贅述。本課題研宄的鋰電池無線充電平臺系統(tǒng)中，負載為直流充電回路，要求電源為恒流源， 對比上述補償方式，可知唯一滿足要求的補償方式為SS補償方式。副邊串聯(lián)時會出現頻率分叉現象，副邊并聯(lián)時原邊又不可能諧振，起不到補償作用。此時，式（253)簡化為一個純電阻，結果如下：原邊繞組電流為：分析副邊繞組電流情況，可知關系式滿足式（243),這里不再列寫相同方程，直接 給出結果如下：可知，負載電流與原邊繞組電流同相位，電流大小與負載本身有關，無恒流源特性。計算公式復雜，涉及變量較多，在 對負載電流需要精確控制的場合，不宜采用PS補償方式。由上文分析可直接得出副邊諧振補償電容值為C2 —，副邊阻抗為Z2 =r2 + RL,(o L2二次側反應阻抗為z丨，則一次側阻抗為：r2+RL整理為實部加虛部的形式，如下：令上式虛部為0，解得原邊補償電容值為：過補償，即令原邊補償電容值為最簡形(:,=4一，這種情況下，原邊阻抗不再為純電阻，0)1^可見，補償電容值與負載和互感存在關系，使電路不具有靈活性。 負載中流過的電流與原邊電流同相位，但大小與負載本身有關，不再為恒流源。 r2 171。雙邊諧振時，上式（233)簡化為：進一步得出如下式：可見，在SS補償方式下，補償電容具有最簡形，原、副邊在同一頻率下同時工作于 諧振態(tài)，負載電流不受負載大小影響，成為恒流源。括號中第一個字母代表原邊，第二個字母代表副邊，S表示串聯(lián)補償，P 表示并聯(lián)補償。上文討論了單邊補償的四種方式：原邊串聯(lián)、原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)。 分析副邊單邊并聯(lián)補償特性。補償電容為：此時一次側阻抗為感性阻抗，如下式所示：系統(tǒng)電壓增益為：考慮原邊諧振，此時有式（224)的虛部為0,解補償電容方程如下所示：其中/^171。不同的是，電壓增益只 與電路參數和頻率相關，與頻率成雙曲線關系。電路穩(wěn)定性較 差，不具有靈活性。2. 分析原邊單邊串聯(lián)補償特性。雙邊補償則在原邊和副邊都裝設補償電路。當副邊線圈置于平臺區(qū)域上，要求不同位置耦合性能一致。 14本文研宄的鋰電池無線充電平臺，就是采用上圖所示的螺旋線圈。只有當負載為純 電阻或者阻抗角很小時，頻率與效率之間存在較為明顯的關系。可得傳輸效率為：分析上式，在電路工作狀態(tài)確定的情況下，即々、矣、n、rM、amp。先討論傳輸效率/7與工作頻率/的關系。 12下標為1代表一次側，即原邊，能量發(fā)射線圈，下標為2代表二次側，即副邊，能量 接收線圈。實際上，使用T型等效電路分析仿真可分離變壓器，僅適用于特殊場合，例如可 分離變壓器帶鐵芯或磁芯，氣隙很小，而且氣隙固定，一、二次側繞組無相對位移，變壓 器工作狀態(tài)無較大變化[31]。 T型等效電路適用于變壓器對稱、穩(wěn)態(tài)運行。 EE55型可分離高頻變壓器 對可分離變壓器的建模分析[18_22]，通常有兩種近似模型：普通變壓器的T型等效電路 模型和互感線圈模型[354G]。根據互感線圈有無磁芯，可分為兩類：有磁芯的和無磁芯的。需要指明的是，雙邊式控制方式中，反饋信號必須由副邊無線傳輸至原邊接收，具體方式可根據適用場合確定，比 如光電耦合、紅外傳輸、射頻，或者載波調制等，這樣，原邊至副邊能量的傳輸，副邊至 原邊信號的反饋，都通過無線方式實現，使得無線電能傳輸系統(tǒng)具有了名副其實的意義?？刂菩盘柸∽栽?邊繞組的電流或電壓，反饋至原邊開關電路，與基準值作比較，從而調節(jié)輸出功率，改變 傳遞到副邊的電能，間接調節(jié)負載端電壓或電流，稱之為單邊反饋控制方式。直流電源提供電能，經過DC/AC逆變電路 轉化為高頻交流電，經過補償電容，進入能量發(fā)射線圈，即可分離變壓器的原邊，經過電 磁耦合作用，可分離變壓器副邊接收到高頻交流電能，副邊的補償電路與副邊繞組構成諧 振電路，濾掉高次諧波，感應出正弦基波電能供給后續(xù)電路。在實驗室條件下，直接采 用直流電源，再逆變?yōu)楦哳l交流電，提供給原邊能量發(fā)射線圈，所以圖中未給出原邊電路 的整流部分?？煞蛛x變壓器系松耦合，漏磁通很大，導致整個電能傳輸系統(tǒng)的功率因數低下，能量傳輸效率低。電能是利用電磁耦合原理從可分離變壓器的原邊傳遞到副邊，因此所傳遞的電能只能 為交流電能。無線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心【16】[33]，正是可分離變壓器的存在，將傳統(tǒng)電 能傳輸的電流回路分割為兩個回路，從而實現電氣隔離。感應耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心，將傳 統(tǒng)電能傳輸的一個電流閉合回路，調整為兩個獨立的電流回路，即原邊電路和副邊電路， 也稱之為能量發(fā)送端和能量接收端，從而實現了電源與負載之間真正意義上的電氣隔離。5) 系統(tǒng)采用市電220V交流為供電電源，需要先整流，再高頻逆變，送入能量發(fā)射線圈， 需要整流模塊和斬波模塊?；诒疚牡难绣衬康模ㄟ^對課題的深入分析，多負載感應耦合式鋰電池無線充電平臺的開發(fā)過程中，總結出如下幾個設計難點，需要特別注意：1) 原邊能量發(fā)射線圈采用平面線圈，在最優(yōu)L參數下合理布局線圈的形狀位置，使得高 頻逆變電流產生的磁場盡可能在有效區(qū)域內均勻分布。3)設計多負載鋰電池充電平臺，給出系統(tǒng)原理框圖，以兩負載為例，推導了原邊恒壓時、 原邊恒流時，原邊線圈的輸出功率隨負載電阻的變化關系，具體到鋰電池充電平臺系 統(tǒng)電路，給出了原邊恒流的控制方案，并與最大傳輸功率控制方案作比較，原邊恒流 實現了副邊線圈的解耦控制。對補償方式的分析是重點。本文研宄的鋰電池無線充電平臺，設計負載最多為3個，可同時實現對3個電池的無 線充電，,考 慮整機的電能傳輸效率，設定可接受最小值為60%，則能量發(fā)送端輸出功率最大值約為 10W。2010年，海爾采用MIT的無線電能傳輸專利開發(fā)出全球 首款無尾電視，電視的通信信號和電力供應均采用無線方式進行供給，實現了高清電視的 真正意義的無線傳輸[4]。截止2011年9月，WPC擁有來自行業(yè)各個細分 市場的96個成員，深圳桑菲消費通信有限公司為聯(lián)盟發(fā)起單位之一，積極參與了 Qi的制定工作，現為聯(lián)盟10家常務理事成員中唯 家中國企業(yè)[6】。通過采樣原邊電流來進行鎖相控制，使得在3?4mm的傳輸距離 內，輸出電壓維持4V不變[5]。 —站式充電平臺同時給多個設備充電（來源：cityU)香港理工大學的王軍華博士對感應耦合無線電能傳輸和磁諧振耦合無線電能傳輸進 行了對比研究。如西安交通大學、浙江大學、重慶大學、 南京航空航天大學以及中科院電工所等。另外蘋果公司也有意推動自家標準，無線充電協(xié)議標準進入多元競爭的格局。87 Mobility公司的NPF產品展示（來源：Mojo Mobility)英國Splashpower公司同樣發(fā)布了這樣一款真正意義上的無線充電器，外形就像一個 鼠標墊，只需要把要充電的設備放在上面就可以開始充電[8]，而且可以同時對多個設備充 電。此外，適配器可根據各終端的種類改變性能指標，以應 對因終端不同而異的供電電壓、電流及極性，因此還可用于壁掛電視、照明裝置及揚聲器 等用途。該公司聲稱此產品電力傳輸效率高達93176。（來源：精工愛普生）美國Palm公司2009年上市的Palm Pre手機配有一款電磁感應無線充電底座 Touchstone,充電底座中放置有磁芯，配置的手機后蓋中有能量接收線圈。這種充電 方式不僅徹底擺脫了充電器線纜的束縛，而且省去充電接口，一舉解決接口漏電、接觸不 良、防水以及不同設備充電接口不統(tǒng)一問題[8]。文獻[20]建立了雙邊控制的電路拓撲結構，詳細分析了原邊高頻 逆變器的工作方式，副邊采用PWM控制方式。美國通用汽車子公司Delco Electronics研制的MagneCharge TM是最先商業(yè)化的電動汽車無接觸供電系統(tǒng)之一，獲得了很好的應用前景[7】。/。2010 年MIT宣布通過磁諧振耦合電能傳輸的功率已經達到3300W，日本富士通公司利用磁諧 振無線電能傳輸技術實現為一個以上的設備供電[4]。就微波無線電能傳輸而言，1987年， 能量束，在離地面150米高度飛行20分鐘。2010年， 版本[6]。隨著傳輸距離的增大，效率急劇下降。磁諧振式是2007 年MIT的Soljacic教授首次提出的，是利用兩個具有相同諧振頻率的電磁系統(tǒng)，在相距一 定的距離時，由于電磁耦合產生諧振，進行能量傳輸[4】。事實上，早在1897年，著名物理學家Nikola Tesla就已經提出無線電能傳輸理論，目 前世界各地都仍有特斯拉線圈的愛好者。 在醫(yī)療領域，隨著人工心臟等人工器官的成功植入，在體外對器官電池的充電，也對傳統(tǒng) 電能傳輸方式提出了挑戰(zhàn)。本人聲明所呈交的學位論文感應耦合式鋰電池無線充電平臺設計研究1緒論 電能的生產使用與當今人類社會的發(fā)展息息相關，已經成為人們生產生活不可或缺的 能量形式。這就使得接觸火花、碳積、機械磨損等問題不可避免，在一些特 殊場合，比如化工、礦井、水下環(huán)境中，開關電弧、摩擦火花等足以引發(fā)安全事故[13]?；谏鲜銮樾危`活、 安全、便利的無線電能傳輸技術的應用愈發(fā)顯得迫切和緊要。微波能量傳輸要求發(fā)射器 必須對準接收器，受到嚴格的方向性限制，并且易受大氣等周圍介質的影響導致衰減較大， 不能高效穿越障礙物，所以該技術只適用于空曠空間的遠距離能量傳輸。感應式原理簡單，近距離傳輸效率可高達99%[4】，傳 輸距離在厘米量級間。本課題 多負載感應稱合式鋰電池無線充電平臺的設計研宄 便是基于這一研宄背景來展開的。國外對無線電能傳輸（Wireless Power Transfer)的研宄起步較早，大功率（幾千瓦到 幾百千瓦）多應用于軌道交通、電動汽車的無接觸實時供電場合，中小功率（幾十毫瓦到 幾百瓦）多應用于醫(yī)療、家電和便攜電子設備的無線充電領域[5]。2007年，MIT的Soljacic教授領導的團隊成功點亮了一個60W的燈泡，能量發(fā)送端 與接收端相距2米，能量傳輸效率為40%到50%,距離為1米時效率可達90%[4】。 德國WAMPELER公司的200kW載人電動列車已經試車成功，軌道長度400m，氣隙 120mm，傳輸效率達到85176。此外，日本大阪DAIFUKU公 司開發(fā)的單軌行車和自動運貨車已成功用于許多材料運輸系統(tǒng)中，特別是在一些惡劣的環(huán) 境下，如礦井、噴漆車間等。文獻[19]分析了雙負載時SS、SP補償下系統(tǒng)等效電路，推導了傳輸 效率與工作頻率的關系。當充電平臺中流過交流電流時， 通過電磁感應，能量從原邊線圈傳遞到副邊線圈，實現了電子設備的無線充電。其2008年研發(fā)的產品體積縮小為07年的1/4左右， 模塊用在手機中，可提供5V/500mA電力，具有誤充電金屬檢測功能、溫度檢測功能和ID 識別功能等[8】。不久之后將上市用于手機、智能電話、便攜式游戲終端及個人電腦 的非接觸充電產品。而且，在電磁耦合中采用RFID技術來識別電力傳輸目標，可防止因誤加熱適 配器以外的金屬等而發(fā)生危險[8】。公司設想將受電線圈嵌入鋰離子充電電池的封裝 中，使控制電路單芯片化，以及在設備的電源管理IC (Power Management 1C)中嵌入非 接觸充電控制電路。2012 年5月高通找上三星及SKTele，組成無線充電同盟（AFWP)，成為WPA的主要競爭 對手。國 內一些高校，已有大量的理論研宄成果相繼發(fā)表。香港城市大學許 樹源教授研宄小組研制成功的“非接觸電池充電平臺”可同時對數個不同類型的電子產品 充電[5]。臺灣地區(qū)對無線電能傳輸的研宄同樣卓有成效，有學者發(fā)文基于LC串聯(lián)諧振理論， 提出了鎖相環(huán)控制的經皮能量傳輸系統(tǒng)，采用無芯線圈，在原邊進行串聯(lián)補償，工作頻率 范圍在173kHz?183kHz。企業(yè)方面，值得一提的是，無線充電聯(lián)盟成立于2008年12月17日，其使命是為了 促進市場廣泛釆用國際無線充電標準Qi。桑菲公司推出的智能 。最 后制作樣機，驗證系統(tǒng)設計方案。討論補償 電路拓撲及其特性。對原、副邊電路參數的優(yōu)化是重點。多負載系統(tǒng)工作方式的控制是重點。4) 對原邊電流進行采樣，采樣后對電流信號進行轉換處理送入鎖相環(huán)電路或者UC3875， 采樣精度以及電流轉換處理電路是設計難點。這種傳輸方式，存在著諸如金屬裸露、碳積、 接觸火花、機械磨損等弊端，這在一些特殊的電氣場合，比如水下、礦井、醫(yī)療[111等領域, 所帶來的安全隱患不容忽視。本章將探宄小功率無線電能傳輸系統(tǒng)的電路拓撲，給出充電平臺的最優(yōu)設計方案?？煞蛛x變壓器則改變了這一現狀，一次側繞組和二次側繞組纏繞在各自的鐵芯上，鐵 芯之間無相對固定位置，在電氣隔離的基礎上又實現了空間隔離，電源端和負載端獨立為 兩個電路結構，實現了非接觸的電能傳輸過程。這就需要在原邊加裝整流和逆變 電路，先將市電50Hz整流為直流，再把直流逆變?yōu)樾枰母哳l交流。也可以有多