【正文】 2. UC3875芯片使用介紹本文設(shè)計(jì)的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)最多可同時(shí)承載3個(gè)副邊回路，依此來推算原邊電路 的電壓等級(jí)，推算時(shí)將設(shè)定的電路參數(shù)列出如下：。此為最大功率輸出控制方案。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(shí)再討論最大功率輸出也無意義。下面分析 最大功率傳輸問題。4. 上文在分析時(shí)，之所以得出恒流控制的結(jié)論，其出發(fā)點(diǎn)在于確保表不變，同時(shí)設(shè)定頻率和互感恒為定值。原邊電流恒流運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載之間的解耦控制，負(fù)載之間的狀態(tài)互相獨(dú)立，互不影 響。此時(shí)原邊傳輸功率受到影響，為保證其他負(fù)載的正常運(yùn)行，需確保式維持不變，電路通常工作在固定諧振點(diǎn)，SS補(bǔ)償時(shí)，所有 線圈回路均工作于共同的固定諧振點(diǎn)，即系統(tǒng)運(yùn)行過程中，似一直恒定不變。當(dāng)上述兩個(gè)參數(shù)不變或者即使改變，但其相對(duì)關(guān)系從2泛2仍保持不變時(shí)，原邊電路工作狀態(tài)不變，可認(rèn)為從原邊看去，副邊無變化。對(duì)于原邊，副邊相當(dāng)于一個(gè)等效反應(yīng)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(guān)。則原邊影響副邊時(shí)也是通過改變上述三個(gè)參數(shù)來實(shí) 現(xiàn)。如何實(shí)現(xiàn)多負(fù)載條件下副邊線圈的解耦控制，是多 負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)（wireless power transfer system, WPTS)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。可見，一個(gè)副邊負(fù)載的變化，將影響副邊所有負(fù)載的功率，副邊電路之間仍存 在著間接的耦合關(guān)系[24】。當(dāng)原邊電流改變時(shí)，副 邊所有能量接收機(jī)構(gòu)的感應(yīng)電壓為盡=7171。在設(shè)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(guān)系。^、的變化曲線圖 在上述分析過程中，均假設(shè)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(guān)系。鋰電池 的負(fù)載特性與上述推導(dǎo)結(jié)果相悖，可知，在分析多負(fù)載感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的功率傳 輸特性時(shí)，當(dāng)負(fù)載為充電鋰電池負(fù)載時(shí)，原邊電路不能采用恒壓源模型，應(yīng)采用恒流源模 型，如上式（48)所示。由圖可見，原邊恒壓時(shí)，負(fù)載等效阻抗越小時(shí)，傳輸功率越小，負(fù)載等效阻抗越大時(shí)， 傳輸功率越大。 展示了雙負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路圖。與單負(fù)載相比，多負(fù)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(shù)、現(xiàn) 代電力電子技術(shù)中整流和高頻逆變等，不同的是，多負(fù)載在功率控制等方面比單負(fù)載要復(fù) 雜得多。最后，在實(shí)驗(yàn)室條件下，制作出樣機(jī)，通過實(shí)測(cè)實(shí) 驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該套設(shè)計(jì)方案的可行性。針對(duì)充電電路包含多種狀態(tài)的特點(diǎn)，本文提出了單負(fù)載時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電流的控制思路。恒壓蓄電階段，充電結(jié)束，與副邊空載時(shí)電路 特征一致。載態(tài)，計(jì)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(shí)原邊LC回路應(yīng)工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)，電容、電感端電壓如下圖 ，此時(shí)，方波電壓幅值為IV。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(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電流。相差180176。該對(duì)信號(hào)可以輸入 IR2110,使IR2110驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。 延時(shí)器兩路信號(hào)輸入繼電器。延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，可由RC參數(shù)決定，R設(shè)置為可調(diào)電阻，延時(shí)電路與后續(xù)繼電器 共同決定了死區(qū)時(shí)間。將上述互補(bǔ)信號(hào)接入由RC、二極管組成的延 時(shí)電路。 49逆變電路開關(guān)管選擇IRF630,其驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110，先對(duì)硬件電路進(jìn)行測(cè)試，鎖 相環(huán)輸出信號(hào)經(jīng)反相器后形成兩路互補(bǔ)方波信號(hào)。1. 3. 2樣機(jī)測(cè)試，制作樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。折 算到原邊。該階段為充電的主要階段，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)， 這與充電速率和電池容量有關(guān)。該階段持續(xù)時(shí)間較短。預(yù)充電時(shí)，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(yīng)阻抗較小，與線圈寄生電阻相當(dāng)，此時(shí)，副邊電路對(duì)原邊的影響 較小，接近于空載狀態(tài)。即：可以先放置負(fù)載，再上電進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，也可以先上 電，使原邊進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，再放置負(fù)載。鋰電池在充電時(shí)，電壓不一定耗盡，即充電初始狀態(tài)不一定為預(yù)充電，可能直接進(jìn)入 恒流充電階段，也可能直接進(jìn)入恒壓蓄電階段。電路頻率穩(wěn)定后，檢測(cè)原邊電流幅值，轉(zhuǎn)化為有效值后， 低于標(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)電流時(shí)，降低直流電源電壓以減小逆變后的方波電壓幅值。該控制方法有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一、控制量單一，控制電流使大小恒定，可通過簡(jiǎn)單的帶負(fù) 反饋的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行；二、對(duì)副邊的控制轉(zhuǎn)化為了對(duì)原邊的控制， 大大簡(jiǎn)化了副邊充電電路的設(shè)計(jì)，且能達(dá)到同樣的控制效果；三、不必區(qū)分充電進(jìn)行到哪 一階段，控制方案具有統(tǒng)一性、最簡(jiǎn)性。本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，采用理想化設(shè)計(jì)思路，g卩：當(dāng)副邊線圈置于原邊平面線圈有效區(qū) 域之上時(shí)，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。在本文設(shè)計(jì)的單負(fù)載鋰電池充電系統(tǒng)中，充電過程由充電管理芯片bq2057 實(shí)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(shí)副邊電路具有500mA的 載流能力。因補(bǔ)償電容具有最簡(jiǎn)形，即原邊電容 補(bǔ)償原邊電感，副邊電容補(bǔ)償副邊電感，原、副邊的LC回路具有相同諧振點(diǎn)，這樣，副 邊電路的存在與否對(duì)原邊的諧振也不存在影響，原、副邊的電路狀態(tài)實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立，大 大提高了電路靈活性。頻率信號(hào)送入鎖相環(huán)相位比較器后，鎖相環(huán)輸出信號(hào)頻率開始降低，進(jìn)入頻率跟蹤狀 態(tài)，直到鎖定電路設(shè)定的諧振點(diǎn)，即/ = 100kHz，電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。所以，設(shè)定上電鎖頻階段，主電路直流電源電壓恒為+1V，即逆變交流電 壓為幅值為+1V的方波電壓，占空比接近50%，電路不會(huì)出現(xiàn)過高的空載電流，上電過程 結(jié)束，進(jìn)入鎖相階段?？刂齐娐返碾娫磁c主電路電源相互獨(dú)立，前者的上 電過程簡(jiǎn)單，無需控制，瞬間完成，此時(shí)鎖相環(huán)由于自激輸出最高頻率，即主電路的開關(guān) 管以最高頻輪流開斷，該頻率與鎖相環(huán)外圍電路參數(shù)有關(guān)。上電階段，此時(shí)副邊電路無電流流過，即副邊與原邊尚未建立電磁耦合關(guān)系，在上電 瞬間，副邊電路存在與否對(duì)原邊電路不構(gòu)成影響，所以上電條件只需考慮原邊電路參數(shù)即 可。該階段時(shí)間極短，以毫秒計(jì)，這跟系統(tǒng)的工 作頻率有關(guān)。鋰電池置于充電回路后，副邊能量接收線圈置于原邊能量發(fā)送線圈的平面有效區(qū)域之 上，此時(shí)電路準(zhǔn)備完畢，系統(tǒng)需要上電開始工作。在不同階段，系統(tǒng)原、副邊電路工作狀態(tài)有很大的不同。由式（234),得:C, = , C2 =.至此，得出單負(fù)載鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)系統(tǒng)電路最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如下表32所示。綜上得出：越 大，電壓增益曲線越平穩(wěn)，不同負(fù)載時(shí)，增益特性差別越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定。],。與式（317)聯(lián)立，即得：o?？闪钤?線圈或補(bǔ)償電容的端電壓不超過80V，即啤8(^。上文述及，副邊穩(wěn)壓電路的輸入設(shè)定恒為+8V，即全波整流的輸出電壓為+8V,根據(jù) 式（261)，可知整流橋的輸入正弦交流電壓的有效值應(yīng)為C/2=,副邊工作于諧振狀態(tài)時(shí)，可知|M/,|=|t2| = 。副邊電路作為受電端，電壓水平不能過高，可設(shè)定恒流充電時(shí)副邊線圈端電壓不超過10V，見下式（316), 低電壓水平也為充電電路的安全性提供了保證?？紤]負(fù)載取值范圍為[20Q,200Q]，則應(yīng)有 0uL2〈。t的取值區(qū)間為[,1),將上述結(jié)果用圖 形表示，込的取值范圍為圖中方框藍(lán)色曲線以下部分。即，當(dāng)能量接收端電路的品質(zhì)因數(shù)滿足一定條件時(shí)，rl d系統(tǒng)的能量發(fā)送端可以避免發(fā)生頻率分叉現(xiàn)象。yfc為耦合系數(shù)，實(shí)際情況下恒小分析上式分母，可知恒為正值，故上式等價(jià)于方程：于1，方程曲線在平面坐標(biāo)面上開口向上。1=1，則上述問題等價(jià) 于令方程(lP)A4+(165。在滿足方程4(4)=0的ty解中，定義滿足將上式代入（39),整理為：式（234)的《為真解，記為叫，其余記為岣、叫…。當(dāng)系統(tǒng)諧振點(diǎn)個(gè)數(shù)不為1時(shí)，稱之為頻率分叉現(xiàn)象。忽略r2，上式重寫為：將第2章SS補(bǔ)償時(shí)己得出的公式重列如下，并記為式（37)。電路采用鎖相環(huán)構(gòu)成頻率跟蹤電路時(shí)，考慮到原副邊的補(bǔ)償方式為SS，此時(shí)電路很 可能出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象[32】，設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)應(yīng)予以避免。VCO的輸出一路送入反相 器，構(gòu)成兩路互補(bǔ)信號(hào)，再通過繼電回路，設(shè)置死區(qū)時(shí)間，避免橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí) 導(dǎo)通，之后，送入開關(guān)管門級(jí)。VCO的輸出端4號(hào)管腳作為鎖相環(huán)的輸出信號(hào)，送入系統(tǒng)的控制電路，即開關(guān)管的 控制信號(hào)。取 Rsf=470kfi,低通濾波器電阻為68kQ，電容為47nF。min R1 R1/R2的比值為f^/f的函數(shù) 本文在研宄時(shí)取VDD為+5V,取第2種情況，其中確定f0為100kHz，fl為60kHz, 則 fmin 為 40kHz, fmax 為 160kHz。計(jì)算使用fmin，利用^?決定amp。 fmin 幻獲得R1。2. VCO有頻率偏移時(shí)。a) 給出f0:，用f0決定R1和C1的取值。推薦C1范圍為：50pF到任意實(shí)際值。 簡(jiǎn)述壓控振蕩器VCO電路組成的參數(shù)選擇。頻率捕獲范圍小于或等于頻率鎖相范圍。頻率捕獲范圍（2fc)定義為鎖相環(huán)最初狀態(tài)未入鎖情況下入鎖時(shí)輸入信號(hào)的頻率范 圍。VCO輸入的平均電壓由低通濾波器提供，后者與相位比較器1的輸出相連。比較器1是一個(gè) 異或門電路，信號(hào)和比較器的輸入的頻率應(yīng)具有50%的占空比，以獲得最大的鎖相范圍。Vdd：電源電壓。SIGNin：信號(hào)輸入端。R2：電阻R2連接點(diǎn)。SFout：源級(jí)跟隨器的輸出端。Vss：接地端。C1A：電容Cl的A連接點(diǎn)。VCOour：壓控振蕩器VCO的輸出端。PCloUT：相位比較器1的輸出端。 HEF4046B外部引腳圖引腳說明如下。VCO的輸出在4號(hào)管腳，可以直接或者通過一個(gè)分頻器與比較器的輸入3號(hào)管腳相連。該引 腳若使用，負(fù)載電阻amp。VCO的高輸入阻抗簡(jiǎn)化了低通濾波器的設(shè)計(jì)，使用者在選擇電阻、電容時(shí)可以有更寬的選擇范圍。兩個(gè)相位比較器的輸入一致，一個(gè)是共同的比較器輸入，另一個(gè)是共同的信號(hào)放大 器輸入。芯片內(nèi)部由一個(gè)壓控振蕩器，一個(gè)源級(jí)跟隨器，兩個(gè)相 位比較器構(gòu)成。恒流充電階段， Req=2Q^l,恒壓蓄電階段，Req從200增大，增大至200Q時(shí)充電結(jié)束。其中?的取值范圍為[20D，200Q]，即預(yù)充電階段，amp。 先考慮副邊電路。感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率通常在幾十kHz到幾百 kHz之間，根據(jù)頻率與傳輸效率的關(guān)系，頻率越大，傳輸效率越高，同時(shí)考慮開關(guān)管的開 斷能力和開關(guān)損耗，以及電路中電容、電感承受的電壓應(yīng)力，頻率又不能過大，參考世界 無線充電聯(lián)盟給出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定本系統(tǒng)PlOOkHz。推導(dǎo)與線圈參數(shù)的關(guān)系。推導(dǎo)\與線圈參數(shù)的關(guān)系?；ジ兄档臏y(cè)定方法如下步驟。的變化區(qū)間為：[16Q，160Q]。恒壓蓄電時(shí)，充電電流不再恒定，由標(biāo)準(zhǔn)充電電流以指數(shù)速率降低為充電截止電流，約為 Regulation Current的10%，可知此階段等效直流電阻為時(shí)變電阻，阻值由小變大，從16Q增至160Q，充電過程結(jié)束。的 取值范圍。7805的輸入電壓應(yīng)高于5V,為使充電 電路穩(wěn)定工作，7805的入端電壓應(yīng)留足裕量，取+8V。 補(bǔ)償電路采用SS補(bǔ)償方式，副邊整流電路為橋式電路，輸出端并聯(lián)濾波電容。本文在搭建充電器電路時(shí)，將溫度檢測(cè)輸入端TS和充電速率補(bǔ)償端COPM兩管腳的 功能禁止，以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)STAT端連接兩個(gè)發(fā)光管以區(qū)分工作狀態(tài)。關(guān)于充電器狀態(tài)的報(bào)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)。充電電路為高壓側(cè)電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)時(shí)，bq2057C的VSNS典型值為105mV, 為設(shè)計(jì)充 電電流，即Regulation Current,本文設(shè)計(jì)充電電流為500mA，則代入上式，可得出 Rsns=,。（或雙鋰電池）充電電 路，電路結(jié)構(gòu)為高壓側(cè)電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)。但，該管腳不允許懸浮。該技術(shù)允許在充電進(jìn)行時(shí)對(duì)電池組的內(nèi)部阻抗進(jìn)行安全的動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。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。COMP：充電速率補(bǔ)償輸入端。CC：充電控制輸出端。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。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。TS：溫度檢測(cè)輸入端。該端外接直流電源，供芯片正常工作。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。該端與外部檢測(cè)電阻一端直接相連，通過檢測(cè)該管腳上的電 壓值，得出流過檢測(cè)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(shè)定供電電壓恒為+5V，輸出電流隨 充電電流變化而變化。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(shí)，恒壓蓄電過程結(jié)束，同時(shí)整個(gè)充電過程結(jié)束。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。首先，檢測(cè)電池剩余電壓，當(dāng)?shù)陀?最低充電電壓閾值()時(shí)，進(jìn)入預(yù)充電過程，即conditioning,此時(shí)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(shí)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。圖中實(shí)線為充電電流，虛線為電池端電壓。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(shí)將充電過程分 為三個(gè)階段：預(yù)充電、恒流充電、恒壓蓄電