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防水电子秤非电气接触式供电系统研究 摘要 本文针对目前防水电子秤发展对供电系统提出的需求，通过分析 现行的非电气接触式能量传输技术、电能存储技术、开关电源技术及 电力电子技术等高新技术的发展状况，提出并设计了采用非电气接触 式供电技术为电子秤供电的方案，即将电子秤的供电端与电子秤体分 开，能量存储装置密封在电子秤内，供电端通过电磁耦合的方式在电 子秤体外进行全隔离式供电。这种设计使电子秤体可以从机构上做到 完全密封隔离，当供电导线受到机械拖拉时，导线脱落白行断电，不 会将秤体拖落，也不会造成供电线损坏，从而实现真正的防水特性和 安全性。 在研究了非接触式能量传输、开关电源等关键性技术原理的基础 上，本文首先对防水电子秤非电气接触式供电系统分别从能量传输角 度、反馈控制角度进行总体方案设计，接着对其中一些关键模块进行 了详细研究与设计：( 1 ) 首先对非电气接触式供电系统的核心部分 可分离式变压器进行研究设计，包括研究了可分离式变压器的磁路等 基本特性、互感等效模型、变换器副边等效电路及系统的阻抗等，进 一步讨论了补偿电路方案及适用领域，最后参考高频变压器的a p 设计 方法，对总体设计中提出的三种设计方案中的可分离式变压器参数进 行计算，并通过仿真实验定性分析了气隙、频率以及绕组等参数对可 i 分离式变压器电能传输性能的影响；( 2 ) 考虑到工频条件下，可分离 式变压器耦合性能差、传输效率低的问题，研究设计了促进功率变换 的高频逆变模块，完成了其拓扑结构、开关频率、占空比等电路参数 和器件的选型设计，并研究了软开关技术的应用，通过仿真验证软开 关技术对减小开关管功率损耗的作用；( 3 ) 针对防水电子秤供电需要 比较精准的电压，并且需要对输出电流进行监控，本文在分析了非电 气接触式供电系统反馈控制构成的基础上，对电压电流反馈控制的具 体电路进行设计，将输出的电压、电流信号通过无线传输的方式反馈 给供电端微处理器：( 4 ) 考虑到供电端上可能放置非电子秤的铁磁性 物质( 称为假副边) 形成涡损能量聚积导致危险情况发生，且为了避 免供电端与电子秤位置没有对准时，产生非正常耦合，本文设计了应 答式识别电路，采用发光二极管与接收管耦合或者编解码识别电路方 案，在供电端与电子秤端之间做信息交互，只有当供电端接收到电子 秤端发送来的信号并确认正确时，供电端才开始启动对电子秤的能量 传输，增强了供电系统的安全性；( 5 ) 最后，本文对该供电系统中的 整流滤波等其他模块及其他关键参数进行了讨论设计。 总之，依托非电气接触式供电等高新技术设计的防水电子秤供电 系统，克服了传统电能传输中的诸多不足，为电子秤供电提供了一种 新方法；设计的应答式识别电路及反馈控制电路为防水电子秤的安全 稳定性提供了保证，从而使高精度电子秤的设计得到了进步提高。 本文的研究工作为该新型供电系统的进一步研究与实现打下了良好的 基石出。 关键词：非电气接触式供电、可分离式变压器、软开关技术、电 压电流反馈控制、应答式识别电路 i i i t h er e s e a r c ho ne l e c t r i cc o n t a c t l e s s p o w e rs u p p l ys y s t e mf o rw a t e r p r 0 0 f e l e c t r o n l cb a l a n c e a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t s o fp o w e r s u p p l ys y s t e mf o r t h e d e v e l o p m e n to fw a t e r p r o o fe l e c t r o n i cb a l a n c e ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h e r e s e a r c hs t a t u s ，a p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fs o m er e l a t e dk e y t e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n ge l e c t r i cc o n t a c t l e s se n e r g yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r i c i t ys t o r a g et e c h n o l o g y , s w i t c h i n gp o w e rt e c h n o l o g y , p o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a n ds o m eo t h e rh i g ha n dn e wt e c h n o l o g i e s t h e n ， t h et h e s i sp r o p o s e dan e we l e c t r i cc o n t a c t l e s sp o w e rs u p p l ym e t h o df o r w a t e r p r o o fe l e c t r o n i cb a l a n c e ，w h i c hi s b a s e do nc o n t a c t l e s se n e r g y t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i nt h i sm e t h o d ，t h es i d eo fp o w e rs u p p l ya n do t h e r p a r t so ft h ee l e c t r o n i cb a l a n c ea r es e p a r a t e d t h ee n e r g ys t o r a g eu n i t sa r e s e a l e di n s i d eo ft h ee l e c t r o n i cb a l a n c e ，w h i l et h ep o w e rs u p p l ys i d e ，w h i c h i so u t s i d eo ft h eb a l a n c e ，p r o v i d e sp o w e rf o rt h eb a l a n c eb yu t i l i z i n g e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i v e c o u p l i n g t h i s n e wd e s i g no v e r c o m e st h e i v s h o r t a g e so ft h et r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l ym e t h o d sb ys e p a r a t i o nf o r t h e b a l a n c ef r o ml e v e lo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h a n k st ot h en e wd e s i g n ， w h e nt h ew i r eo fs u p p l ys y s t e mi sd r a g g e d ，t h ew i r ew i l ls p l i to f ff r o mt h e b a l a n c ei m m e d i a t e l ya v o i d i n gt h a tt h ew i r ed r a g st h eb a l a n c ea sw e l la s d e s t r o yt h ew i r e t h e r e f o r e ，t h en e wd e s i g nc a nr e a l i z eb o t hc o m p l e t e w a t e r p r o o fa n ds a f e t yf o rt h ee l e c t r o n i cb a l a n c e t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e dt h eo v e r a l ld e s i g no fe l e c t r i cc o n t a c t l e s s p o w e rs u p p l ys y s t e m a f t e r c o n s i d e r i n g t h e e n e r g y t r a n s m i s s i o na n d f e e d b a c kc o n t r o l l i n gr e s p e c t i v e l y , t h e nd e s i g n e ds o m ek e ym o d u l e so ft h e s y s t e mi nd e t a i l ：( 1 ) f i r s t l y , t h i st h e s i sd e s i g n e dt h ec o r ep a r to ft h ep o w e r s u p p l ys y s t e m ，s e p a r a t e dt r a n s f o r m e rp a r t ，i n c l u d i n gt h es t u d yo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e p a r a t e dt r a n s f o r m e r , m a g n e t i cc i r c u i t a n a l y s i s ， m u t u a li n d u c t a n c em o d e l ，t h e e q u i v a l e n t c i r c u i to ft h ec o n v e r t e r s s e c o n d a r ys i d ea n dt h ec i r c u i ti m p e d a n c e ，d i s c u s s i o no ft h ec o m p e n s a t i o n m e t h o d sa n di t sa p p l i c a t i o nf i e l d a f t e rt h a t ，a c c o r d i n gt ot h ea pd e s i g n m e t h o do nh ig h f r e q u e n c yt r a n s f o m e r t h ep a r a m e t e rv a l u e s f o rt h e s e p a r a t e d t r a n s f o r m e r st h a ta r ep r e s e n t e di nt h eo v e r a l ld e s i g na r e c a l c u l a t e d ，a n ds o m es i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t s t o t e s ts o m e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e p a r a t e d t r a n s f o r m e ra r ec a r r i e do u ta sw e l l ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h a tt h ec o u p l i n go ft h es e p a r a t e dt r a n s f o r m e ri sn o tv e r y g o o da n dt h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yt r a n s m i s s i o ni sl o wf o r5 0 h zp o w e r f r e q u e n c y , t h i sp o w e rs u p p l ys y s t e ma p p l i e dh i g hf r e q u e n c yi n v e r t e r v t e c h n o l o g y t h et h e s i sf i n i s h e dt h ec o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no ft h ec i r c u i t p a r a m e t e r ss u c ha st o p o l o g y , s w i t c h i n gf r e q u e n c y , a n dd u t yc y c l e ，t h e n s e l e c t e dt h e a p p r o p r i a t ed e v i c e s f o r t h ei n v e r t e r t h e a p p l i c a t i o n o f s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sa l s os t u d i e da n di t sa d v a n t a g ef o rr e d u c i n gt h e p o w e rl o s so fm o s f e tp o w e rt r a n s i s t o ri ss h o w nb ys i m u l a t i o n ( 3 ) i n o r d e rt og e ta c c u r a c yv o l t a g es u p p l y i n gf o rw a t e r p r o o fe l e c t r o n i cb a l a n c e a n dt om o n i t o rt h es t a t u so fp o w e rs u p p l ys y s t e m ，o nb a s i so ft h ea n a l y s i s o ft h ef r e q u e n c yc o m p o s i n g ，t h et h e s i sd e s i g n e df e e d b a c kc i r c u i ti nd e t a i l t h ep o w e rs u p p l yi n f o r m a t i o ni n c l u d i n go u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw a sf e d b a c kt ot h ep r i m a r ys i d eu s i n gaw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ( 4 ) t h e p o w e rs u p p l ys i d em a yb ep u to ns o m eo t h e rf e r r o m a g n e t i s mo b je c t ( n a m e da sf a u l t - s e c o n d a r y s i d e ) i nt h i sc a s e ，v o r t e xl o s sa g g r e g a t i o n m a yc a u s et h er i s ko fd a n g e r t oa v o i dt h i sr i s k ，a n dt op r e v e n tt h e a b n o r m a lc o u p l i n gw h e nt h et w os i d e so ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma r en o t a l i g n e d ，t h et h e s i sd e s i g n e dar e s p o n s er e c o g n i t i o nc i r c u i t b yu s i n g e m i t t i n gd i o d ea n dc o d et e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h ep o w e r s u p p l ys i d ea n dt h ee l e c t r o n i cb a l a n c es i d ei se n a b l e d ，w h i c hp r o v i d et h e i n f o r m a t i o nf o rt h ep o w e rs u p p l ys i d e o n l ya f t e rt h ep o w e rs u p p l ys i d e r e c e i v e st h ei n f o r m a t i o na n dc o n f i r m si t sc o r r e c t i o n ，c a nt h ee l e c t r i ce n e r g y t r a n s m i s s i o ns y s t e ms t a r t o b v i o u s l y , t h i sr e s p o n s er e c o g n i t i o nc i r c u i t i n c r e a s e st h es e c u r i t yo ft h es y s t e m ( 5 ) f i n a l l y , o t h e rm o d u l e so ft h i sn e w p o w e rs u p p l ys y s t e ms u c ha sr e c t i f i e rf i l t e r , a n ds o m ek e yp a r a m e t e r si n v i t h e ma r es t u d i e da n dd e s i g n e d i naw o r d ，t h en e wp o w e rs u p p l ys y s t e md e s i g n e di nt h et h e s i s ，w h i c h i sb a s e do ne l e c t r i cc o n t a c t l e s se n e r g yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n ds o m e o t h e rh i g ha n dn e wt e c h n o l o g i e s ，o v e r c o m e st h es h o r t a g e so ft h et r a d i t i o n a l p o w e rs u p p l ym e t h o d s i tp r o v i d e san e wp o w e rs u p p l ym e t h o df o rt h e w a t e r p r o o fe l e c t r o n i cb a l a n c e 。f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g no fr e s p o n s e r e c o g n i t i o nc i r c u i ta n df e e d b a c kc i r c u i te n s u r e st h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h ew a t e r p r o o fe l e c t r o n i cb a l a n c ew i l lg e tf u r t h e r i m p r o v e m e n tb yt h ew o r ko ft h i st h e s i s ，a n dt h ew o r ko ft h i st h e s i sm a y b e ag o o df o u n d a t i o nf o rd e e p e rr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h i sn e wp o w e r s u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i cc o n t a c t l e s sp o w e rs u p p l y , s e p a r a t e dt r a n s f o r m e r , s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , f e e d b a c kc i r c u i t ，r e s p o n s er e c o g n i t i o nc i r c u i t v i i 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇童谈卿 日期：年月日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者虢薹葭研 日期：孵月日 。 指导教师签名：王丘至， 日期：弘前年工月矿日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 防水电子秤及其供电问题 目前电子计量称重技术已越来越多地应用于工业生产过程控制中，防水电子 秤的功能及应用也拓展到更广泛领域，如各大超市中禽肉等冷冻食品以及膨化散 装易碎食品的称重，化学制品加工厂药品的称重，捕渔业中水产品的称重以及其 他各种潮湿、粉尘环境中的称重等。近年来，各行各业对防水电子秤的关注程度 也越来越高，其中捕渔业尤为突出，伴随着物质生活水平的不断提高，人们对水 产品的新鲜性要求越来越高，所以捕渔业迫切地需要一种能够在水下直接对各种 水产品进行称量的电子秤，这将对保持水产品新鲜性起到很好的保护作用，然而 这也对防水电子秤的防水密封性提出了更高的要求。 图卜i 目前电子秤的主要供电方式示意图 当今阻碍电子秤防水性能提高的瓶颈很大部分在于其供电方式，如图i - i 所 示，目前电子秤的供电方式主要有三种：交流供电、直流供电、电池供电，其中 电池供电又分为蓄电池供电和干电池供电，可以看出除干电池供电外，其他几种 都是需要导线直接接触进行供电，这种导线直接接触的传输方式由于存在摩擦、 磨损和裸露导线，很容易产生接触火花，影响了供电的安全性和可靠性；并且因 第一章绪论 为供电上需要通过插头和插座等电连接器的接触进行供电，将不可避免存在裸露 接头的问题，虽然目前的防水接头技术已经做到很好，但是仍然没有从根本上解 决问题，电子秤体目前没有做到完全密封，潮湿的空气、水及灰尘，依然会渗入 电子秤体内，对电子秤内部的传感器、电子元件以及其他机件造成腐蚀，电子秤 的使用寿命降低；且当供电导线受到拖拉时，因为电气上的紧密结合，电子秤体 一起被拖动，由于电子秤的应用范围相当广泛，所以秤体很有可能存在类似于被 从高处拖到低处的破坏性情况发生，造成损坏；另外在水中采用导线直接接触供 电也存在电击的潜在危险，所有这些缺陷都制约着防水电子秤的发展。 伴随着防水电子秤被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿 山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等更多领域，其总的发展趋势是小 型化、模块化、集成化、智能化；技术性能趋向速率高、准确度高、稳定性高、 可靠性高；功能趋向称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能； 应用性能趋向综合性和组合性。防水电子秤的飞速发展对其供电技术也提出了更 高的要求，主要体现在防水性、安全性、高效率、稳定性以及智能化等方面的要 求，本文正是针对防水电子秤对其供电技术提出的一系列要求展开研究的。 针对以上防水性的要求，可采用非接触全隔离法实现，该方法依托非电气接 触式供电技术一种基于非接触式感应能量传输原理的技术，采用非接触的可 分离感应变压器实现电能传输，它能够很好地解决防水电子秤传统接触式供电的 不足儿3 3 。其实从广义上来讲，非电气接触式电能传输有很多种方法，其中以电磁 形式进行电能传输就有感应传输、容性传输以及电磁波传输等。本文设计中选择 感应传输的方式是因为：( 1 ) 容性电容受到电场强度以及介电材料的限制，电能 传输的工程实用性还有待进一步研究；( 2 ) 对电磁波来讲，采用传统的微波导引 和天线在大气中进行长距离的能量传输实现非常困难，控制也很复杂；( 3 ) 采用 感应传输形式，虽然5 0 6 0 h z 等低频交流电很难有效率地实现能量传输，但是当 工作频率足够高时，磁场的变化将在初次级绕组之间形成很强的电磁感应，大气 隙的电能传输变得可行。所以本文所指的非电气接触式供电技术是利用麦克斯韦 电磁感应原理实现电能从一个子系统传输到另一个子系统，将传统变压器的感应 耦合磁路分开，即初、次线圈分别绕在不同的磁性结构上，实现电源与负载之间 不需要直接的电气接触进行能量耦合传输。没有裸露导体，其能量传递能力不受 2 第一章绪论 环境因素如尘土、污物、水等的影响，比起电气连接来，更为可靠、耐用，不产 生火花，不存在机械磨擦与磨损，可以使电子秤运用于水下、矿井等一些工作环 境较为恶劣的场合；当采用多个次级绕组接收能量时，可实现多路输出供电；非 电气接触式供电中使用的变压器初、次级相互分离，可以在相对静止或运动状态 下工作，提高了防水电子秤系统供电的灵活性。 图卜2 为采用非电气接触式传输技术的防水电子秤供电系统框图，可以将电 源转换模块或者储能的装置( 如蓄电池) 密封在电子秤体内，供电端通过非电气 接触的方式，以电磁耦合的形式，对电子秤进行供电或者通过电子秤内部集成的 充电电路模块对蓄电池进行充电。 图卜2 防水电子秤非电气接触式供电示意图 对于采用非电气接触式供电方式最大困难在于其整个系统的效率问题，由于 非电气接触式可分离式变压器是以电磁感应的方式传递能量，初次级间存在一个 较大的气隙，漏感较大，不可避免地存在能量耗散，导致传输效率受到不同程度 的影响，这也是非电气接触式供电相比较传统供电不足的地方。据证对于传统的 变压器，耦合系数通常在o 9 5 0 9 8 之间h 3 ，接近于1 ；而非电气接触式变压器的 耦合系数通常在0 8 以下，有的甚至不到0 1 ，漏电感较大，磁芯工作在磁化曲线 线性段；另外针对工频条件下，可分离式变压器的体积大等问题，本设计采用高 频供电方案，应用开关电源的原理研究设计了高频逆变电路，可大大降低系统的 重量和体积，提高了功率密度和传输效率。 3 第一章绪论 电源的稳定性与整个电子秤系统的精度有很大的关联，如图i - 3 所示，为电 子秤的功能示意图，可以看到，电源供电模块连接三部分，影响传感器信号的采 集、a d 转换精度以及单片机工作的稳定性。一般来讲，高精度的电子秤除了依托 高质量的算法外，还需要有高精度的供电模块，所以在本设计中，为了得到高精 度的电压输出，设计了反馈控制电路，应用霍尔电压传感器采集电子秤端的电压 信号，并依靠无线传输技术将电压信号进行反馈，在供电端与参考电压进行比较， 控制高频逆变电路中功率开关管的导通关断状态，调节输出达到稳定。 w 称艰f ，? i j 圈 图卜3 电子秤的功能不恿图 针对安全性和可靠性的问题，为了防止分离式变压器在位置没有对准时，对 周边铁磁性物质产生非j 下常耦合现象，需要有智能化的数字应答电路对供电的状 态进行自动识别。 拥有具备防水性、安全性、高效率、稳定性以及智能化等特点的新型供电系 统，才能满足防水电子秤市场发展的需求。 1 2非电气接触式供电技术的发展及应用 非电气接触式供电技术技术早在1 0 0 年前就已经为人所知晴1 ，并进行了多次实 验尝试，但因为效率太低，没能商业化。只是近二十年来才随着功率变换技术、 控制技术、磁性材料等的发展，以及非电气接触式供电需求的增长，得到了迅速 4 圈 第一章绪论 的发展哺。，到目前为止非电气接触式供电在工业、生物医学和日常生活等各个领域 已经有很多成功的应用例子。 对于非电气接触式供电在工业上的应用，电动汽车是最先开始也是目前应用 最广泛的领域。新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心b o y s 教 授以及由他领导的课题组，在2 0 世纪9 0 年代初率先对非电气接触式供电技术进 行了系统的研究。经过l o 多年的努力，先后获得多项发明专利，并将非接触感应 电能传输技术成功地用在新西兰r o t o r u a 国家地热公园的旅客电动运输车上n 8 i 。 该项技术也被成功推往美国、日本、德国和法国等地，9 0 年代后期，这些国家相 继投入从事非接触电能传输的研究和实用化产品开发，也获得一些的技术突破并 且诞生了不少实用产品，如美国通用汽车公司子公司d e l c oe l e c t r o n i c s 研制的 m a g n e c h a r g e t m 是最先商业化的电动汽车非电气接触式供电系统之一，由d e l c o 生产和销售，专用于g m 的e v i 型电动汽车充电。1 9 9 5 年1 月，美国汽车工程协会 根据m a g n e c h a r g e t m 系统的设计，制订了在美国使用非电气接触式供电技术进行 电动汽车充电的条例s a ej - 1 7 7 3 阳儿州。日本大阪富库公司的单轨型车和无电瓶 运货车、德国奥姆富尔( w a m p e l e r ) 公司的1 5 0 k w 载人电动火车，轨道长度达4 0 0 m ， 气隙为1 2 0 m m ，是目前为止建造的最大的非电气接触式供电系统。该公司还将非电 气接触式供电技术用于电动游船的水下驱动装置1 。 非电气接触式供电系统在工业上的另一典型应用是移动机器人的无缆化供 电。移动式机器人( m o b i l er o b o t ) 因其在国防、医疗、工业等人类生活诸多方面 显示出越来越广泛的应用前景，已引起极大关注，而其动力能源补充的无缆化 ( c a b l e l e s s ) ，即对移动机器人进行非电气接触式供电的研究也越来越多。对于微 型移动机器人，可以采用磁场能、微波能、光能等无缆传输方式实时提供动力， 而大型移动机器人动力能源的无缆化则主要依赖高品质的机载蓄电池组，安全可 靠、快速高效、便于机器人自动实现的充电方法更是其关键技术之一。由于蓄电 池容量的限制，以及越来越迫切的机器人在无人环境下自动充电的要求，利用非 电气接触式供电系统进行充电，实现机器人无缆化行走与自动充电成为一项非常 有意义的科研工作。总体来讲，在移动机器人领域非电气接触式供电系统的应用 也取得了一些进展：如1 9 9 1 年，a l b e r te s s e r 和h a n s c h r i s t o p hs k u d e l n y 将能 量的感应传输应用于驱动机器人，提高了机器人的运动灵活性。1 9 9 6 年，a t s u o 第章绪论 k a w a m u r a 等人研制出应用十机器人操作手的谐振式变换器进行无线能量和信弓的 传输( w lr e le s st r a n s m is s i o no fp o w e ra n dl n f o r m a t l o n ，w _ jp i ) 。2 0 0 0 年j u n j i j | 1 i 等人1 1 = 式提出将能量的感应传输应用十蓄电池驱动的移动机器 系统的电 池充电。h 年感应揣合充电方法实现应用于无缆化拟人机器人充电2 。 怍电。l 接触式供乜干立术在巾物医学上比较成功的典j 弘心用足”f 觉修复系统和 人l 心脏系统的供叱，其基小胤砰也是足围绕疏松耦俞变儿器构造的个直流列 直流( d cd c ) 变换器。能量通过尤接触的变脏器进行传输，次数绕组置十体内， 村崩绕组置r 体外。高刻绕组驰动器给仞绒线吲7 17 变流人电流，产生交娈磁通。 这此磷通部分一j 次级相铰_ l j i = ，存次缎线斟中麟应 n 流。绎过整流后，次级边电n 、 凋1 s 保证上耦合系数或功耗变化的情况下，输电压保持恒定。科学家已经利 j i i 这项拽术往动物体山进行移植实验，安全1 输功率达1 5 0 w “。 ll 常卫0 5 一十的应几j 卜要是些扯潮湿虾境卜使用的小功率电器，如电z 剃坝 儿吧z 山玎刷等。近年水，随着移动电请及笔l 0 本 u 腑的普及，尤其是今年我出 f 机允r n 器接口统一柏：准的强制实施后。1 ，很多公训对丁比较容易统u i 电标准 的1 卜l 乜气拉触式供电披术投入了更多的研究。如罔卜4 所不，为英剑桥 s p a s h p o w e r 公司发叫一种新i 岂它可使于机不用接到电缆上就能给手机l u 池充 电，。i ! 赴国内 i _ | ，j 正没自这利，【1 勺产乩出现”1 。 h 卜4 】| | 电气接触式手机充i u l i 意图 目l | j ，幽外研究人员仍在讣电t l 接触式供电领域投入力量积极丌展研究 _ 作。 如今往改领域的热点问题有梢合器等效l 乜路模j 弘研究。、感心锅台器及相成功率 1 殳换器研究+ 、感应充 乜系统挎制器研究、耦台器材料研究等。 第一章绪论 整体来讲，国内对非电气接触式供电技术领域的研究还处于起步阶段，仅有 、? i 综述性文献和个别小功率样机的研究报道，距离产业化还有相当长的距离。基于 感应充电技术广泛的应用领域及前景，有必要对该技术进行理论及实验研究，以 便能尽快的投入实际应用。目前已经有不少大学、研究机构以及企业正在进行无 接触电能传输技术方面的功率变换器研究以及非电气接触式供电整体系统的研究 工作。 非电气接触式供电技术是一项涵盖功率变换技术、现代控制理论、电磁感应 技术等的新技术，它的发展有着广阔的市场应用前景，也面临着很多挑战：非接 触感应电能传输理论依赖于功率变换技术、非线性电路等理论的进一步发展：工 程应用中的技术限制也制约着非电气接触式供电技术的发展，如无源器件和有源 功率器件的电压和电流定额，社会经济效益和环保问题也是非接触感应电能传输 技术应考虑的一个重要方面；如何降低非电气接触式供电系统的成本，提高电能 变换效率、减小电磁干扰也是在实际工程应用中必须考虑的问题。此外，不断提 高功率等级，系统稳定性和可靠性，增加可分离式变压器的气隙也是非电气接触 式供电技术需要解决的难点。 由于非电气接触式供电存在的众多优点以及其不断增长的市场需求性，引导 着对该技术研究工作的同益深入，非电气接触式供电存在的难题也逐步被攻克， 其电能传输功率级别、传输距离、传输效率等指标都在不断提高，其应用领域也 越来越广泛。总体来讲，非电气接触式供电技术的应用研究正逐步向大容量、高 效率、低成本、大气隙、高稳定性等方向发展。 1 3典型的电能存储技术 比较典型的电能存储技术刚有蓄电池储能( b a t t e r ys t o r a g e ) 、超级电容器 储能( s u p e rc a p a c i t o rs t o r a g e ) 、飞轮储能( f l y w h e e l ss t o r a g e ) 以及超导储 能( s u p e r c o n d u c t i v em a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，s m e s ) 等。按照储能类型分类， 各种电能存储技术的研究及应用现状对比如表i - i 所示。 目前在电子秤上应用较多的是化学能量储存装置( 蓄电池储能) ，其他几种电 能存储技术在工业领域中已有应用，而且取得了较好效果，但是要用在电子秤上， 还需要在存储容量、可靠性和经济性上作进一步改进。 7 第一章绪论 表1 - 1 常用的电能存储技术 储能类型储能名称典型功率额定应用方向 机械储能飞轮储能 5 尼1 5 m 矽 调峰，品率控制，u p s ，电能质量调节 电磁储能 s m e sl o j i l m u p s ，电能质量调节，输配电系统稳定性 电化学储能铅酸电池 l 惫5 0 膨 电能质量，频率控制，备用电源，u p s 在所有的蓄电池当中，铅酸电池是最古老、也是最成熟的技术，它也是一种 低成本的通用储能技术，可用于电能质量调节和u p s 等，然而这种蓄电池的寿命 较短；锂离子电池因具备储能密度高( 3 0 0 4 0 0 k w h m 3 ，1 3 0 k w h i t ) ，储能效 率高( 接近1 0 0 ) 和使用寿命长( 每次放电不超过储能的8 0 可充3 0 0 0 次) 等优 点得到了快速发展，在几年之内它已经占有小型移动设备电源市场份额的5 0 ，然 而生产大容量锂离子电池仍然有一些挑战性的工作要做，主要的障碍在于其居高 不下的成本，这主要是由于它需要特殊的包装和配备必要的内部过充电保护电路； 另外，金属空气( m e t a l a i r ) 电池在所有的蓄电池中结构最为紧凑，并且可望成 为成本最低的蓄电池，这是一种对于环境无害的蓄电池，但其主要的缺点是这种 电池的充电非常困难而且效率很低。所以在综合考虑了存储容量、可靠性、经济 性以及可实现性等各种因素后，开发的新型防水电子秤上的可充电电池依然延用 铅酸电池。 1 4 开关电源技术的发展 开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 是采用功率半导体器件作为开关元件， 通过周期性地控制开关元件的通断时间或通断的频率来调整或维持输出电压恒定 的装置9 。 开关电源的基本构成如图1 - 5 所示，其中d c i d c 变换器进行功率转换，是开 关电源的核心，此外还有启动电路、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采 样电路通过足、咫的分压检测输出电压变化，与基准电压撕进行比较，误差电压 经过放大及p 形m 脉宽调制电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而 达到调整输出电压大小的目的心0 1 。 8 第一章绪论 图卜5 开关电源的基本构成图 非电气接触式供电系统因为可分离式变压器之间存在较大的气隙，使整个磁 路的磁阻增大，此时由变压器原边产生的磁动势中有相当一部分消耗在由于空气 隙产生的磁阻上，变压器漏磁较大，处于疏松耦合状态，造成耦合系数不高，效 率降低，为了解决这一问题，目前普遍采用提高开关管频率方法，以增大变换器 一次侧的交流电压，弥补了由于大气隙的存在造成铁芯中的磁通密度b 很小，能 量传输效率低的问题，所以本文设计借鉴了高频开关电源的理念：一是其高频特 点，解决了传输效率低的问题；二是其反馈调节的思路，可使电压输出恒定；三 是其拓扑结构的多样性，便于多种场合的应用设计。 d c d c 变换器按照电路拓扑可以分为两大类：不隔离的直流变换器和带隔离 的直流变换器。前者有降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换器、升降压 式( b u c k b o o s t ) 变换器和c u k 变换器四种基本的拓扑结构；后者有单管的正激 式( f o r w a r d ) 和反激式( f l y b a c k ) ，多管的推挽( p u s h p u l lc o n v e r t e r ) 、半桥 ( h a l f - b r i d g e ) 、全桥( f u l l b r i d g e ) 等多种型式。 国内的开关电源技术基本上开始于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，当时该技术 只在一些科研院所和高等院校中进行教学研究和试验开发，功率变换器的开关频 率为2 0 k h z 5 0 k h z ，后来提高开关频率成为减小开关电源尺寸的最有效手段，现 在2 0 0 k h z 5 0 0 k h z 已成为i o o w 输出d c d c 变换器的标准开关频率。随着工作频 率的提高，开关电源的单位功率体积( c m 3 形) 也不断减小。 总体来讲，2 0 世纪开关电源的飞速发展主要依赖于功率半导体器件、软开关 技术、控制技术、有功功率因数校正等技术的发展n 9 1 ： ( 1 )新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率m o s f e t 和i g b t 已完 9 第一章绪论 全可替代功率晶体管( g t r ) 和中小电流的晶闸管，使实现开关电源高频化有 了可能。超快恢复功率二极管和m o s f e t 同步整流技术的开发，也为研制高效 率和低电压输出的开关电源创造了条件； ( 2 )软开关技术使高频开关电源的实现有了可行性，它不仅可以减小电源的体 积和重量，而且提高了电源的效率：p 1 ；| m 开关电源若按硬开关模式工作，丌关 过程中丌关器件的电压和电流波形在时间上有交叠，因此开关损耗大，且频率 越高开关损耗越大，为此产生了所谓的零电压开关( z v s ) 和零电流( z c s ) 技 术，即软开关技术； ( 3 )控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化， 而且使丌关电源的动态性能和可靠性大大提高，也适应了市场对其智能化的需 求：丌关变换器的强非线性以及它所具有的离散和变结构特点、负载性质