【正文】 態(tài)實現(xiàn)真正的獨立，大 大提高了電路靈活性。當鎖相環(huán)輸出頻率穩(wěn)定后，預示上電鎖頻階段的結(jié)束，電路開始進入實際工作狀態(tài)， 即充電階段。在本文設計的單負載鋰電池充電系統(tǒng)中，充電過程由充電管理芯片bq2057 實現(xiàn)，充電的順利完成需要充電芯片的供電電壓穩(wěn)定可靠，同時副邊電路具有500mA的 載流能力。針對此，本文的控制方案為：在預充電、恒流充電、恒壓蓄電階段，優(yōu)先保證 副邊線圈感應電壓恒定，即|加M/,| = 。本文在設計系統(tǒng)時，采用理想化設計思路，g卩：當副邊線圈置于原邊平面線圈有效區(qū) 域之上時，假定于任何位置，耦合系數(shù)均恒定，即兩線圈的互感保持不變，M = 24pH。又知電路工作頻率確定為100kHz,角頻率《 = 2足/ = ,則保證副邊線圈感應電壓恒定，進一步可簡化為：保證原邊正弦交流電流恒定，艮P:上述為交流電流有效值。該控制方法有三個優(yōu)點：一、控制量單一，控制電流使大小恒定，可通過簡單的帶負 反饋的運算放大器實現(xiàn)，電路結(jié)構簡單易行；二、對副邊的控制轉(zhuǎn)化為了對原邊的控制， 大大簡化了副邊充電電路的設計，且能達到同樣的控制效果；三、不必區(qū)分充電進行到哪 一階段，控制方案具有統(tǒng)一性、最簡性。當然，通過檢測原邊電路狀態(tài)，也可以判斷副邊 充電進行到的具體階段。電路頻率穩(wěn)定后，檢測原邊電流幅值，轉(zhuǎn)化為有效值后， 低于標準電流時，提高直流電源電壓以升高逆變后的方波電壓幅值，從而提高原邊電流使 ；高于標準電流時，降低直流電源電壓以減小逆變后的方波電壓幅值。可見，控制電路維持原邊主電 路工作于標準工作點時，無需區(qū)分副邊電路狀態(tài)，實現(xiàn)了控制上的原、副邊隔離。鋰電池在充電時，電壓不一定耗盡，即充電初始狀態(tài)不一定為預充電，可能直接進入 恒流充電階段，也可能直接進入恒壓蓄電階段。該充電平臺無論在電路的頻率鎖相階段、 還是充電控制階段，對副邊的工作狀態(tài)均不作要求，甚至對副邊線圈的存在與否也無要求， 使整個充電過程獨立、靈活、可控。即：可以先放置負載，再上電進入穩(wěn)態(tài)，也可以先上 電，使原邊進入穩(wěn)態(tài)，再放置負載。充電過程中負載亦可隨時撤出。預充電時，充電電流為50mA，等效交流阻抗為200Q,據(jù)式（233)折算到原邊的反 ，反應阻抗較小，與線圈寄生電阻相當，此時，副邊電路對原邊的影響 較小，接近于空載狀態(tài)。此時，原邊電路的電流、電壓均為恒定值。該階段持續(xù)時間較短。恒流充電時，充電電流為500mA，等效交流電阻為20Q，據(jù)式（233)折算到原邊的 ，反應阻抗較大，遠大于原邊線圈內(nèi)阻，此時，副邊電路對原邊的影響 大，原邊電壓較高，電壓和電流均為恒定值。該階段為充電的主要階段，持續(xù)時間較長， 這與充電速率和電池容量有關。恒壓蓄電時，充電電流不再恒定，由500mA開始降低，降低至50mA時充電過程結(jié) 束，副邊電路表現(xiàn)出的等效阻抗則是由20Q開始上升，上升到200Q時結(jié)束充電過程。折 算到原邊。由于電路阻抗不再恒定，為 保持原邊電流為恒定標準電流，原邊電壓需動態(tài)實時跟蹤負載而變化，即原邊電壓為時變 電壓。1. 3. 2樣機測試，制作樣機進行測試。 平面螺旋線圈，原邊電路為下圖左邊實驗板，副邊電路為右上側(cè)實驗板，電路參數(shù)與設計 參數(shù)一致。 49逆變電路開關管選擇IRF630,其驅(qū)動芯片采用IR2110，先對硬件電路進行測試，鎖 相環(huán)輸出信號經(jīng)反相器后形成兩路互補方波信號。 由圖可看出，該對互補信號同時翻轉(zhuǎn)，無明顯死區(qū)時間，倘若直接驅(qū)動IR2110,或可 造成橋臂開關管同時導通，引起電源短路。將上述互補信號接入由RC、二極管組成的延 時電路。由圖可見，輸入信號在由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平時，由于 電容作用，輸出信號不再呈邊沿翻轉(zhuǎn)，而是緩慢下降，輸入信號在由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平 時，輸出信號與輸入保持一致，瞬時翻轉(zhuǎn)。延時器的延時時間，可由RC參數(shù)決定，R設置為可調(diào)電阻，延時電路與后續(xù)繼電器 共同決定了死區(qū)時間。電路工作頻率為100kHz時，死區(qū)時間設置為1可足夠滿足要求。 延時器兩路信號輸入繼電器。 觀察第4路信號，可知對死區(qū)時間的設置，達到了預期效果。該對信號可以輸入 IR2110,使IR2110驅(qū)動開關管的導通和關斷。系統(tǒng)上電后，觀測IR2110的輸出信號，如 。相差180176。，即電路處于諧振點。端電壓峰值為60V，可知有效值為60/W = ,則 — 49 41V原邊電流有效值為= ，恰等于設定標準電流。則此時電路狀態(tài)對應于空COLy當副邊置于原邊線圈有效區(qū)域內(nèi)且電池未連接時，該狀態(tài)對應副邊空載態(tài)，此時副邊 線圈的感應電壓，即副邊整流橋的輸入交流電壓。載態(tài)，計算電路空載損耗為:由圖可見，電路周期為10嘩，頻率為100kHz,可知鎖相環(huán)己經(jīng)鎖定電路諧振頻率，此時原邊LC回路應工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)，電容、電感端電壓如下圖 ，此時，方波電壓幅值為IV。 CH1通道使用了 10倍衰減，由圖可見，LC器件端電壓為正弦電壓，大小相等，相位預充電階段，此時電路特征與副邊空載時相似，原邊方波電壓稍有提高， 電路消耗功率為：恒流充電階段，保持原邊電流為標準電流，,實際充電 電流為450mA,電路消耗功率為：考慮該階段實際電壓增益為5 = —= ,充電效率為rj = = % (該 1 / 此時，原邊線圈電流為標準電流，副邊線圈感應電壓近似為正 弦波形，整流橋輸出直流電壓為+8V，計算副邊線圈空載時整個系統(tǒng)的空載損耗為：，取近似平均值4V)。恒壓蓄電階段，充電結(jié)束，與副邊空載時電路 特征一致。 本章小結(jié)根據(jù)第2章的相關理論推導，本章給出了單負載鋰電池無線充電平臺的最優(yōu)設計框 架，重點介紹了充電管理芯片bq2057的硬件電路，以及鎖相環(huán)HEF4046B的使用方法， 推導了 SS補償時出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象的起因及消除條件，根據(jù)電壓增益特性，電路LC器 件的電壓應力、感應線圈的載流能力，一步步推算出系統(tǒng)主電路的電路參數(shù)，給出最優(yōu)設53計方案。針對充電電路包含多種狀態(tài)的特點，本文提出了單負載時標準電流的控制思路。 該控制方案原理簡單，擁有三大優(yōu)點。最后，在實驗室條件下，制作出樣機，通過實測實 驗參數(shù)，進一步驗證了該套設計方案的可行性。4多負載鋰電池無線充電平臺設計 在感應式無線電能傳輸系統(tǒng)中，單負載即一對一供電的電路結(jié)構并不多見，且多用于 特殊領域，如給植入體內(nèi)的人造器官充電，應用較多的，為多負載能量傳輸系統(tǒng)，即一對 多的供電電路結(jié)構，如軌道交通領域中給在軌運行的機車供電、便攜電子設備無線充電平 臺等。與單負載相比，多負載無線電能傳輸系統(tǒng)在工作原理上都包含了電磁耦合技術、現(xiàn) 代電力電子技術中整流和高頻逆變等，不同的是，多負載在功率控制等方面比單負載要復 雜得多。 具體到鋰電池無線充電平臺系統(tǒng)，由上文分析，考慮到多負載切入、切出時不影響系 統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，原邊的能量發(fā)送線圈與副邊的能量接收線圈統(tǒng)統(tǒng)采用串聯(lián)補償方式，即 SS,本節(jié)先建立含兩個負載的系統(tǒng)電路數(shù)學模型，討論多負載系統(tǒng)的一些特點。 展示了雙負載無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路圖。副邊接收線圈1的等效阻抗為：副邊接收線圈2的等效阻抗為：副邊接收線圈1對原邊的反應阻抗為：副邊接收線圈2對原邊的反應阻抗為：原邊電路的總?cè)攵俗杩篂椋号c單負載時一樣，為保證系統(tǒng)傳輸容量的最大化，整個無線電能傳輸系統(tǒng)的原邊和副 邊需工作在固有諧振點，即所有諧振機構具有相同的諧振頻率，有如下式成立：同時，根據(jù)實際電路設計要求，副邊能量接收機構應具有一致性，既簡化了電路參數(shù) 設計，又使電路具有通用性，作如下設定：M]~M2=MW4 (47)〔2丨=C22 = C2 r2\ ~r22 =r2原邊輸出到副邊的功率為：原邊電流人為：將式（49)代入式（48)中，式（48)整理為：式（410)為含兩個副邊接收電路時的原邊輸出功率的標準形，由此可推寫出含n個 副邊回路時原邊的輸出功率為：考慮輸出功率與負載的關系，仍以含兩個副邊回路時分析，設定^=10, r2=,電路工作頻率為100kHz，角頻率為《 = ，互感值設定為A/= 25^H ,原邊方 波電壓幅值設為10V時，上式（410)整理為：考慮負載為充電鋰電池，根據(jù)第3章推導結(jié)果，等效交流負載取值區(qū)間為[20a200Q], 用matlab繪制輸出功率隨Ru、。由圖可見，原邊恒壓時，負載等效阻抗越小時，傳輸功率越小，負載等效阻抗越大時， 傳輸功率越大。針對鋰電池負載特性，可知預充電與恒壓蓄電時表現(xiàn)出的直流阻抗為大， 而此時汲取功率為?。缓懔鞒潆姇r表現(xiàn)出的直流阻抗為小，而此時汲取功率為大。鋰電池 的負載特性與上述推導結(jié)果相悖，可知，在分析多負載感應式無線電能傳輸系統(tǒng)的功率傳 輸特性時，當負載為充電鋰電池負載時，原邊電路不能采用恒壓源模型，應采用恒流源模 型，如上式（48)所示。^隨及^、/?i2的變化曲線圖如前述，設定原邊電流恒定，為/,==,與單負載時一致，其余參數(shù)與原邊恒壓 時相同，則式(48)化簡為:在等效交流負載的取值區(qū)間[2042000]內(nèi)討論輸出功率/^隨Ru、RL2的變化關系， 。^、的變化曲線圖 在上述分析過程中，均假設只有原邊線圈與副邊線圈之間存在互感，即副邊線圈之間 無電磁耦合關系。實際的電路應用中，也不允許副邊線圈之間在磁力線方向上存在重疊， 即不能破壞其他接收線圈感應到磁通量。在設定副邊線圈之間無直接電磁耦合影響后，即便如此，副邊線圈之間仍存在間接的 影響關系。分析如下：當其中一個副邊能量接收線圈的負載變化時, 或者投入、切出，其汲取的原邊傳輸功率也隨之變化，即原邊能量發(fā)射線圈的輸出功率相 應變化，具體表現(xiàn)為原邊線圈的端電壓或者原邊電流發(fā)生了改變。當原邊電流改變時，副 邊所有能量接收機構的感應電壓為盡=7171。^/,也要相應改變，即副邊線圈接收的功率將重新匹配。可見，一個副邊負載的變化，將影響副邊所有負載的功率，副邊電路之間仍存 在著間接的耦合關系[24】。這在實際的電路應用中是絕不允許的，多負載感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的控制難度 比單負載要復雜，主要表現(xiàn)在該方面。如何實現(xiàn)多負載條件下副邊線圈的解耦控制，是多 負載無線電能傳輸系統(tǒng)（wireless power transfer system, WPTS)設計的關鍵。不管負載為電流型負載還是電壓型負載，采用互感模型來仿真原、副邊電路時，根據(jù) 電磁耦合關系式，可知：對于副邊，原邊相當于提供了一個理想交流電壓源，其大小為矣,只與原邊電路角頻率、互感值、原邊電流有關。則原邊影響副邊時也是通過改變上述三個參數(shù)來實 現(xiàn)。當上述三個參數(shù)不變或者即使改變，但其乘積仍保持不變時，副邊電路工作狀態(tài)不變， 可認為從副邊看去，原邊無變化。對于原邊，副邊相當于一個等效反應阻抗，其大小為只與原邊電路角^2頻率、互感值、副邊電路等效總阻抗有關?？芍?，副邊電路影響原邊時，只能通過改變彼 此互感值M、或者自身總阻抗22來實現(xiàn)。當上述兩個參數(shù)不變或者即使改變，但其相對關系從2泛2仍保持不變時，原邊電路工作狀態(tài)不變，可認為從原邊看去，副邊無變化。考慮實際電路情況，負載變動或投入、切出時，相對關系M2/Z2保持不變的可能性幾 乎為0,即一定會對原邊電路構成影響。此時原邊傳輸功率受到影響，為保證其他負載的正常運行，需確保式維持不變，電路通常工作在固定諧振點，SS補償時，所有 線圈回路均工作于共同的固定諧振點，即系統(tǒng)運行過程中，似一直恒定不變。而原、副邊 線圈的互感值也為固定值，見式（47)，可知，確保矣不變，只需確保/,不變，即原邊工 作于恒流源狀態(tài)。原邊電流恒流運行，可實現(xiàn)負載之間的解耦控制，負載之間的狀態(tài)互相獨立，互不影 響。但是，恒流運行的控制方案，將帶來另一個問題，即功率傳輸容量的問題。4. 上文在分析時，之所以得出恒流控制的結(jié)論，其出發(fā)點在于確保表不變，同時設定頻率和互感恒為定值。實際上，在WPTS中，上述兩參數(shù)并非不能改變。下面分析 最大功率傳輸問題。SS補償下，電路處于諧振態(tài)，原邊輸入阻抗為：考慮輸出功率為副邊反應阻抗的函數(shù)，輸出功率取最大值時有：解上式，可得出，當= 時，輸出功率取最大值，且有最大輸出功 l^r2+ Ru co M率為：可知，另一種控制方法為最大功率輸出法，S卩，當負載變動或投入、切出時，使得發(fā)生變化時，實時改變~1^，使二者時刻處于相等關系，便可獲得最大的輸 M + Ru 0)2MZ出功率又可知，在實際電路中改變工作頻率會造成系統(tǒng)偏離諧振狀態(tài)，使以上關系式 均不再成立，從而使建立在諧振基礎上的討論分析失去意義，所以電路的頻率需恒定。而 原邊電路的寄生內(nèi)阻卩由原邊電路本身決定，如果通過在原邊串聯(lián)可調(diào)電阻來改變9則系統(tǒng)本身己發(fā)生改變，此時再討論最大功率輸出也無意義。電路中唯一可改變的就是互感M,當負載變化時，改變原邊線圈與副邊所有線圈的耦合系數(shù)，使得的值等于或(0 M接近的值，從而使原邊電路的能量發(fā)射線圈持續(xù)以或接近最大功率向副邊傳輸 ttr2 + RLi能量。此為最大功率輸出控制方案。再具體到鋰電池無線充電平臺系統(tǒng)中分析，對最大功率控制方案與原邊恒流控制方案 作比較，充電過程若能以最大功率輸出，可大大提高充電速率，這在許多快速充電的電路 設計中，將被優(yōu)先考慮，但這類系統(tǒng)通常較龐大，功率等級較高，原副邊耦合線圈之間有 精確的復雜的控制機構，如在軌運行的機車電池的充電等，本課題研宄的感應式鋰電池無 線充電平臺，屬于低功率范疇，給便攜電子設備充電，力求控制機構簡單，相比之下，更 適合采用原邊恒流的控制方案。2. UC3875芯片使用介紹本文設計的鋰電池無線充電平臺最多可同時承載3個副邊回路，依此來推算原邊電路 的電壓等級，推算時將設定的電路參數(shù)列出