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正文內(nèi)容

感應(yīng)耦合式鋰電池無線充電平臺設(shè)計研究(編輯修改稿)

2024-07-24 14:52 本頁面
 

【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),達不到補償?shù)哪康?。所以,無線傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計,一般采用雙邊補償 方式,單邊補償只做理論性研究,或者用于負載固定的特殊場合,這里不再贅述。同樣,依據(jù)補償電容與電路的連接方式,雙邊補償可分為四類:原邊串聯(lián)副邊串聯(lián)補 償(SS)、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)補償(SP)、原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)補償(PS)、原邊并聯(lián)副邊并 聯(lián)補償(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)補償,P 表示并聯(lián)補償。對雙邊補償電路進行分析時,考慮負載為純電阻性負載。分析SS補償特性。有如下關(guān)系式:雙邊補償要求原、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,可得出補償電容值如下:可知,補償電容具有最簡計算形式,而且不再與負載相關(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。電壓增益與頻率成反比,與負載成正 比,形式簡單。此種補償方式適用于恒流負載場合,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償電容串聯(lián)時對原邊的影Rl解上式,得出:可知,在SP補償方式下,當忽略線圈寄生電阻時,原、副邊補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時一致,即副邊諧振時,其補償方式對原邊無影響。 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(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補償特性。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(cè)反應(yīng)阻抗為z丨,則一次側(cè)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(guān)系,使電路不具有靈活性。另一種補償方案為顯容性,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雙邊補償電壓增益特性與副邊單邊串聯(lián) 補償電壓增益特性一致,可知,原邊補償電容并聯(lián)時,對電路的電壓增益不構(gòu)成影響。負載電流與負載阻抗存在關(guān)系,即無恒流源特性。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。分析PP補償特性。 PP補償時,副邊電路與SP補償時一致,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,負載電流與原邊繞組電流同相位,電流大小與負載本身有關(guān),無恒流源特性。 電壓增益關(guān)系式復雜,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。上文詳細分析了單邊補償四種方式以及雙邊補償?shù)乃姆N方式,每種補償方式都具有各 自的特點。通過以上分析,可以總結(jié)出如下結(jié)論:單邊補償比雙邊補償效果要差的多,表 現(xiàn)在其補償電容的形式均與線圈寄生電阻相關(guān),以副邊補償時為最差。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,起不到補償作用。原邊并聯(lián)時,此時系統(tǒng) 電壓增益特性恒定,與補償電容及電路工作狀態(tài)均無關(guān)。雙邊補償時,原邊的并補電容將 極大地使相關(guān)參數(shù)的計算復雜化,而且均與線圈寄生電阻相關(guān),忽略時造成較大計算誤差。 原邊串補方式相比更為理想,此時副邊并補時副邊并補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中補償方式中是唯一的。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。此種補償方式下,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。,只考慮負載為純電阻情況。 二極管單向?qū)щ娦?,正向?qū)?,電阻?,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。實際上很少采用此種電路, 僅作理論上的分析研宄。,只考慮負載為純電阻情況。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導通,負載及承受正向電壓w2,;負半周 時,乂乃和乂乃導通,負載仍承受正向電壓w2,方向不變,即負載承受直流電壓。 171。 w, w2波形圖在交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載,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導通時,VTVT3關(guān)斷;VT,、乂丁4關(guān)斷時,VTVT3導通,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)的電路拓撲,對系統(tǒng)電路中重要組成部分,如可 分離變壓器、補償電路、整流逆變做了詳細的建模分析和理論推導,可分離變壓器采用互 感模型,補償電路采用SS補償方式,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,推導了交流等效電 阻與直流電阻的關(guān)系。 3單負載鋰電池無線充電平臺設(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:預充電、恒流充電、恒壓蓄電。 分析充電過程。圖中實線為充電電流,虛線為電池端電壓。當充電電路就緒時,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?shù)陀?最低充電電壓閾值()時,進入預充電過程,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行近似線性升高, ,預充電過程結(jié)束。另,當檢測電池剩余電壓高于L時,充電過程跳過預充電,直接進入恒流充電階段,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。^ (), —般會略高于Vg,達到VPACK,如上圖 所不,此時t旦流充電階段結(jié)束,進入下一步: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)定至標準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。當電池電壓降落到低于再充電門檻電壓VReH時,bq2057C將自動進入充電模式,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載,可知等效負載的電阻值不唯一, 在三個充電階段表現(xiàn)出不同阻值:預充電時為一固定值,阻值較大;恒流充電時為另一固 定值,阻值較小;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:充電速率補償輸入端。該管腳設(shè)置充電速率補償水平。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)允許在充電進行時對電池組的內(nèi)部阻抗進行安全的動態(tài)的補償。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VCC跌落到低于BAT管腳電壓時,bq2057進入休眠模式,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
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