【文章內(nèi)容簡介】 靈活度低，計算繁瑣，電路的穩(wěn)定性差，甚至原邊無 法工作于諧振狀態(tài)，達(dá)不到補(bǔ)償?shù)哪康?。所以，無線傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計，一般采用雙邊補(bǔ)償 方式，單邊補(bǔ)償只做理論性研究，或者用于負(fù)載固定的特殊場合，這里不再贅述。同樣，依據(jù)補(bǔ)償電容與電路的連接方式，雙邊補(bǔ)償可分為四類：原邊串聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ) 償（SS)、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償（SP)、原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償（PS)、原邊并聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償（PP)。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(bǔ)償，P 表示并聯(lián)補(bǔ)償。對雙邊補(bǔ)償電路進(jìn)行分析時，考慮負(fù)載為純電阻性負(fù)載。分析SS補(bǔ)償特性。有如下關(guān)系式：雙邊補(bǔ)償要求原、副邊均工作于諧振狀態(tài)，即在某一工作頻率《下，副邊形成串聯(lián)諧 振，原邊也形成串聯(lián)諧振，則上式Z,、Z2的虛部均為0，可得出補(bǔ)償電容值如下：可知，補(bǔ)償電容具有最簡計算形式，而且不再與負(fù)載相關(guān)，僅與自身電路特性參數(shù)有 關(guān)。雙邊諧振時，上式（233)簡化為：進(jìn)一步得出如下式：可見，在SS補(bǔ)償方式下，補(bǔ)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(fù)載電流不受負(fù)載大小影響，成為恒流源。電壓增益與頻率成反比，與負(fù)載成正 比，形式簡單。此種補(bǔ)償方式適用于恒流負(fù)載場合，如充電回路?？紤]到A 187。 r2 171。 r, * 0, cdM 187。 r2 w r, w 0 ,上式可繼續(xù)簡化為：分析SP補(bǔ)償特性。忽略原、副邊的線圈寄生電阻，上式簡化為：由圖可知如下關(guān)系式：響一樣，可知有如下結(jié)果：令上式虛部為0，解得：此時有z2 = a, = 副邊對原邊的影響與副邊補(bǔ)償電容串聯(lián)時對原邊的影Rl解上式，得出：可知，在SP補(bǔ)償方式下，當(dāng)忽略線圈寄生電阻時，原、副邊補(bǔ)償電容值的計算具有 最簡形，副邊對原邊的影響與副邊串補(bǔ)時一致，即副邊諧振時，其補(bǔ)償方式對原邊無影響。 負(fù)載中流過的電流與原邊電流同相位，但大小與負(fù)載本身有關(guān)，不再為恒流源。電壓增益 特性曲線變化較陡，與頻率平方成反比，與負(fù)載阻抗平方成正比。二次繞組電流比一次繞 組電流滯后一定相位角，滯后角度與二次側(cè)電路品質(zhì)因數(shù)相關(guān)。分析PS補(bǔ)償特性。由上文分析可直接得出副邊諧振補(bǔ)償電容值為C2 —，副邊阻抗為Z2 =r2 + RL,(o L2二次側(cè)反應(yīng)阻抗為z丨，則一次側(cè)阻抗為：r2+RL整理為實(shí)部加虛部的形式，如下：令上式虛部為0，解得原邊補(bǔ)償電容值為：過補(bǔ)償，即令原邊補(bǔ)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(bǔ)償電容值與負(fù)載和互感存在關(guān)系，使電路不具有靈活性。另一種補(bǔ)償方案為顯容性，原邊電路不再工作于諧振狀態(tài)，電路功率因數(shù)低，傳輸能力不高。忽略繞組寄生電阻后，上式簡化為：可以得出：上式（250)與式（228)形式一致，即PS雙邊補(bǔ)償電壓增益特性與副邊單邊串聯(lián) 補(bǔ)償電壓增益特性一致，可知，原邊補(bǔ)償電容并聯(lián)時，對電路的電壓增益不構(gòu)成影響。負(fù)載電流與負(fù)載阻抗存在關(guān)系，即無恒流源特性。計算公式復(fù)雜，涉及變量較多，在 對負(fù)載電流需要精確控制的場合，不宜采用PS補(bǔ)償方式。分析PP補(bǔ)償特性。 PP補(bǔ)償時，副邊電路與SP補(bǔ)償時一致，由上文分析結(jié)果可知，副邊阻抗Z2與式(238)有相同形式，忽略繞組寄生電阻后，解得副邊補(bǔ)償電容值為(：2=—|一，為最簡形式。副co 12邊阻抗為么2=尺，反應(yīng)阻抗為Z丨一次側(cè)阻抗為：Rl上式與式（245)只差線圈寄生電阻r,、r2,將上式整理為實(shí)部加虛部的形式，結(jié)果 應(yīng)與式（246)中將〃2置0后的形式一致，如下所示：令上式虛部為0,解得原邊補(bǔ)償電容值為——^——結(jié)果與式（248)1 (coM)4+(0)1^^)2一致。此時，式（253)簡化為一個純電阻，結(jié)果如下：原邊繞組電流為：分析副邊繞組電流情況，可知關(guān)系式滿足式（243),這里不再列寫相同方程，直接 給出結(jié)果如下：可知，負(fù)載電流與原邊繞組電流同相位，電流大小與負(fù)載本身有關(guān)，無恒流源特性。 電壓增益關(guān)系式復(fù)雜，副邊繞組電流與原邊繞組電流存在相位差，其滯后相位角由副邊電 路品質(zhì)因數(shù)決定。上文詳細(xì)分析了單邊補(bǔ)償四種方式以及雙邊補(bǔ)償?shù)乃姆N方式，每種補(bǔ)償方式都具有各 自的特點(diǎn)。通過以上分析，可以總結(jié)出如下結(jié)論：單邊補(bǔ)償比雙邊補(bǔ)償效果要差的多，表 現(xiàn)在其補(bǔ)償電容的形式均與線圈寄生電阻相關(guān)，以副邊補(bǔ)償時為最差。副邊串聯(lián)時會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，副邊并聯(lián)時原邊又不可能諧振，起不到補(bǔ)償作用。原邊并聯(lián)時，此時系統(tǒng) 電壓增益特性恒定，與補(bǔ)償電容及電路工作狀態(tài)均無關(guān)。雙邊補(bǔ)償時，原邊的并補(bǔ)電容將 極大地使相關(guān)參數(shù)的計算復(fù)雜化，而且均與線圈寄生電阻相關(guān)，忽略時造成較大計算誤差。 原邊串補(bǔ)方式相比更為理想，此時副邊并補(bǔ)時副邊并補(bǔ)電容與寄生電阻有關(guān)，副邊串聯(lián)時 則均與線圈寄生電阻無關(guān)，即忽略其大小時，不會影響電路參數(shù)的精確計算，而且此時具 有恒流源特性，這在8中補(bǔ)償方式中是唯一的。本課題研宄的鋰電池?zé)o線充電平臺系統(tǒng)中，負(fù)載為直流充電回路，要求電源為恒流源， 對比上述補(bǔ)償方式，可知唯一滿足要求的補(bǔ)償方式為SS補(bǔ)償方式。此種補(bǔ)償方式下，電 容計算具有最簡形，避免了一、二次線圈之間傳輸無功功率，極大提高了輸電能力[4M8】。 在SS補(bǔ)償方式下，有可能出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，在設(shè)計電路時必須予以避免。下文涉及到 頻率分叉現(xiàn)象時，再做詳細(xì)分析。 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(guān)，不再贅述。 整流電路按組成器件可分為不可控、半控和全控三種[23]，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路 和零式電路，等等，存在多種分類方法，下文只討論單相半波不可控整流電路和單相橋式 全控整流電路。，只考慮負(fù)載為純電阻情況。 二極管單向?qū)щ娦?，正向?qū)ǎ娮铻?,表現(xiàn)為短路，反向截止，電阻無窮大，表 現(xiàn)為斷路。輸入電壓％為正弦交流電壓，輸出電壓％為負(fù)載端電壓，％、的波形圖如下 。 %、w2電壓波形圖 設(shè)電壓％的有效值為《7,則有w, ，計算電壓％的直流輸出平均值[/2為:可見，半波整流電能利用率低，輸出直流電壓平均值水平不及輸入正弦波形有效值的 一半，在可控半波整流電路中，采用相控方式，當(dāng)觸發(fā)角在[0。r]上變化時，輸出電壓將更低。而且，輸出波形脈動大，使輸入電流包含大量直流分量。實(shí)際上很少采用此種電路, 僅作理論上的分析研宄。，只考慮負(fù)載為純電阻情況。輸入w,為正弦交流電壓，有效值為[/,，有u39。=yliu39。sin((uth晶閘管VTdDVT2組成一 對橋臂，乂丁3和165。丁4組成另一對橋臂。為簡單分析計，假定可控晶閘管的觸發(fā)角均為0。， 即％正半周時，VT,和VT4導(dǎo)通，負(fù)載及承受正向電壓w2,；負(fù)半周 時，乂乃和乂乃導(dǎo)通，負(fù)載仍承受正向電壓w2，方向不變，即負(fù)載承受直流電壓。 171。 w, w2波形圖在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，在一個周期內(nèi)，整流電壓脈動2 次，多于半波整流電路，屬于雙脈波整流電路。在正負(fù)半周，輸入電流方向相反且波形對 稱，平均值為0，即直流分量為0。當(dāng)觸發(fā)角a不為0,在區(qū)間[0,。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(guān)系。吸收的功率為P2,有下式成立：輸入功率設(shè)為則有由能量守恒可得出交流等效阻抗與直流Req阻抗盡的關(guān)系如下式所示： 逆變電路逆變電路與整流電路相反，單相逆變可分為半橋逆變電路與全橋逆變電路，如下圖 。 半橋逆變電路中，輪流導(dǎo)通VTdDVT2，輸出為交流方波，幅度為五，幵關(guān)管關(guān)斷時 承受反向電壓為五，因分壓電容的存在，輸出交流電流中不含直流分量。全橋逆變電路中，VT,和VT2組成一橋臂，VT3和乂丁4組成另一橋臂，VT,、VT4導(dǎo)通時，VTVT3關(guān)斷；VT,、乂丁4關(guān)斷時，VTVT3導(dǎo)通，輸出為交流方波，幅度為2163。,幵關(guān)管關(guān)斷時承受反向電壓為163。，當(dāng)輸出方波占空比不為50%時，輸出交流電流中含有直 流分量。通常情況下，為避免同一橋臂上下兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，造成橋臂直通短路，將 一組開關(guān)管設(shè)置死區(qū)時間，這樣輸出方波占空比不再為50%，即輸出交流電流中不可避免 要出現(xiàn)直流分量。2. 5本章小結(jié)本章簡述了感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的電路拓?fù)洌瑢ο到y(tǒng)電路中重要組成部分，如可 分離變壓器、補(bǔ)償電路、整流逆變做了詳細(xì)的建模分析和理論推導(dǎo)，可分離變壓器采用互 感模型，補(bǔ)償電路采用SS補(bǔ)償方式，此時，系統(tǒng)具有恒流源特性，而且繞組寄生電阻的 存在不影響補(bǔ)償電容具有最簡形。本章最后部分介紹了整流逆變電路，推導(dǎo)了交流等效電 阻與直流電阻的關(guān)系。3單負(fù)載鋰電池?zé)o線充電平臺設(shè)計 2012年現(xiàn)行市面上便攜電子設(shè)備， ，充電容量1600mAh。鋰電池的充電過程由相應(yīng)的充電管理芯片輔助 完成，bq2057系列ICs是TI公司推出的鋰電池線性充電管理芯片，工作時將充電過程分 為三個階段：預(yù)充電、恒流充電、恒壓蓄電。 分析充電過程。圖中實(shí)線為充電電流，虛線為電池端電壓。當(dāng)充電電路就緒時，bq2057C利用外部的熱敏電阻，連續(xù)不斷地檢測電池溫度，只有 電池溫度處于規(guī)定安全閾值內(nèi)，bq2057C才允許充電。首先，檢測電池剩余電壓，當(dāng)?shù)陀?最低充電電壓閾值()時，進(jìn)入預(yù)充電過程，即conditioning,此時充電形式為t旦流充電，只是充電電流很小，約為正常充電電流（RegulationCurrent)的10%， 較小的充電電流同時也減小了外部電路的熱損耗，電池電壓隨著充電進(jìn)行近似線性升高， ，預(yù)充電過程結(jié)束。另，當(dāng)檢測電池剩余電壓高于L時，充電過程跳過預(yù)充電，直接進(jìn)入恒流充電階段，即constant current。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(shè) 置，期間隨著充電的進(jìn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)充電電壓amp。^ (), —般會略高于Vg,達(dá)到VPACK,如上圖 所不，此時t旦流充電階段結(jié)束，進(jìn)入下一步：恒壓蓄電階段，即constant voltage。在恒壓蓄電階段，電池電壓從vPAeK漸漸降低，穩(wěn)定至標(biāo)準(zhǔn)充電電充電電流不再為恒流，從正常充電電流Regulation Current開始以指數(shù)速率衰減，當(dāng)充電電流值衰減為正常充電電 流Regulation Current的10%時，恒壓蓄電過程結(jié)束，同時整個充電過程結(jié)束。當(dāng)電池電壓降落到低于再充電門檻電壓VReH時，bq2057C將自動進(jìn)入充電模式，開始 為電池再充電。充電管理芯片bq2057C采用直流電源供電，本文設(shè)定供電電壓恒為+5V，輸出電流隨 充電電流變化而變化。將充電電路等效為直流電阻性負(fù)載，可知等效負(fù)載的電阻值不唯一, 在三個充電階段表現(xiàn)出不同阻值：預(yù)充電時為一固定值，阻值較大；恒流充電時為另一固 定值，阻值較??；恒壓蓄電時為時變電阻，阻值由小變大。 bq2057引腳圖引腳說明如下：SNS：電流檢測輸入端。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。BAT：電池電壓輸入。該端直接連接電池正極，將電池電壓水平反饋入芯片內(nèi)部。 VCC：電源輸入端。該端外接直流電源，供芯片正常工作。推薦電源電壓最低值不低 ，最高值不超過15V。TS：溫度檢測輸入端。該管腳為外部電池溫度控制電路的輸入管腳，bq2057通過測 量TS相對VSS的電壓來連續(xù)監(jiān)控電池溫度。該管腳亦可以作為充電禁止輸入端，將該輸 入端連接VCC/2可使該管腳功能失效。STAT：充電狀態(tài)輸出端。該管腳輸出可表示三種狀態(tài)：正在充電、充電完成和溫度 警告。VSS：接地端。CC：充電控制輸出端。該管腳為內(nèi)部源級跟隨器的輸出，通過驅(qū)動外部晶體管，來 調(diào)整控制充電電流和電壓。COMP：充電速率補(bǔ)償輸入端。該管腳設(shè)置充電速率補(bǔ)償水平。電壓調(diào)節(jié)的輸出可被 編程以作為提供給電池的充電電流的函數(shù)而變化。使用此功能可以減少充電時間，提高充 電速率。該技術(shù)允許在充電進(jìn)行時對電池組的內(nèi)部阻抗進(jìn)行安全的動態(tài)的補(bǔ)償。電路結(jié)構(gòu) 為高壓側(cè)電流檢測時，將該管腳與VCC相連，或者電路結(jié)構(gòu)為低壓側(cè)電流檢測時，將該 管腳與VSS相連，可以使補(bǔ)償功能禁止。但，該管腳不允許懸浮。（雙）鋰電池充電電路 檢測電阻Rsns的計算公式如下式所示。（或雙鋰電池）充電電 路，電路結(jié)構(gòu)為高壓側(cè)電流檢測結(jié)構(gòu)。圖示帶星號的穩(wěn)壓二極管D2為可選擇器件。充電電路為高壓側(cè)電流檢測結(jié)構(gòu)時，bq2057C的VSNS典型值為105mV, 為設(shè)計充 電電流，即Regulation Current,本文設(shè)計充電電流為500mA，則代入上式，可得出 Rsns=,。電壓管理反饋是通過BAT管腳實(shí)現(xiàn)的，該輸入端與電池組的正極直接相連，通過管 理BAT管腳相對VSS管腳的電壓來控制充電電壓，bq2057系列提供了四種固定電壓水平，bq2057C 為 。關(guān)于充電器狀態(tài)的報告，bq2057使用三態(tài)STAT管腳的輸出表示，下表31列出了該管腳的輸出狀態(tài)。表31 STAT管腳輸出特性工作狀態(tài)STAT輸出正在充電高電平充電完成低電平溫度警告或休眠模式尚阻當(dāng)VCC跌落到低于BAT管腳電壓時，bq2057進(jìn)入休眠模式，該特性可以防止在電源 電壓消失時充電電路對電池組的反向耗電。本文在搭建充電器電路時，將溫度檢測輸入端TS和充電速率補(bǔ)償端COPM兩管腳的 功能禁止，以簡化電路設(shè)計，同時STAT端連接兩個發(fā)光管以區(qū)分工作狀態(tài)。 負(fù)載等效阻抗計算根據(jù)第二章對感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的分析，本節(jié)將直接給出單負(fù)