（控制理论与控制工程专业论文）非接触式感应充电电路的研制.pdf

武汉科技大学 iyrlllllilrrlrlf71irfl3jlllil9jr l l l l 5 l l f l l l 5 l r l l l f f f l 册 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，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成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：銎茎量日期：型! 皇至墨因三7 值 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：玺妻重 指导教师签名：j 鸷堕l 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 在无线电能传输系统中，松耦合系统虽然距离较短，但是具有高效率、大功率、和较 低辐射等特点而获得应用，本文讨论了松耦合无线电能传输在便携式设备充电器上的应 用。 论文首先介绍了常用电池的种类、使用特点和充电方法，然后给出一般松耦合系统的 电路结构和各种铁芯结构的磁场分布，根据反射阻抗的概念，详细讨论了各种电路补偿方 式和铁芯结构对电路性能影响，接着具体分析了半桥电容串联谐振变换电路的具体波形和 传输效率。但是由于耦合电感是非紧密耦合，而且空隙宽度根据实际需要会不断变动，造 成副边反映到原边的等效阻抗不断变化，电路的谐振点也不断变化，而且气隙宽度为无限 大时电路会产生较大的输入电流，所以必须建立闭环回路调节半桥变换器的切换频率，以 便使电路工作在谐振点周围，并且在副边感应结构远离原边时使系统处于待机状态。提高 系统的传输效率。最后根据实验特性、传输距离、功率要求，利用锂离子电池充电芯片完 成整个无线充电器的制作。在耦合电感空隙宽度在2 m m 情况下，充电器的传输效率可以达 n 8 0 。 关键词：非接触式感应电能传输；松耦合；电池充电器 a b s t r a c t a l t h o u g ht h ec o n t a c t l e s sp o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sas h o r t e rg a pt h a no t h e rs y s t e m b u t w i t hh i 曲o re f f i c i e n c y , h i g h e l p o w e r , l o w e ra c c e s st oa p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e so nt h e a p p l i c a t i o no f t h ec o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o n p a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec o m m o nb a t t e r yt y p e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a r g i n gm e t h o d s ，a n d t h e ng i v e sag e n e r a lc i r c u i ts t r u c t u r eo fc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h e c o n c e p to fr e f l e c t i o ni m p e d a n c e ，t h ev a r i o u sc i r c u i t sa n dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo fc o r e s t r u c t u r eo nt h ec i r c u i ti sd i s c u s s e di nd e t a i l ，t h e nt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a l f - b r i d g e s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e ra n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sd i s c u s s e d h o w e v e r , b e c a u s et h ec o u p l e di n d u c t i v ei sn o n - t i g h tc o u p l i n g , a n dt h ew i d t ho ft h eg a p w i l l c o n t i i l u et oc h a n g ea c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，r e s u l t i n gi ns e c o n d a r ys i d er e f l e c t e di nt h ep r i m a r y a r ea l s oc o n s t a n t l yc h a n g i n g , s om u s te s t a b l i s hac l o s e dl o o pt oc o n t r o lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r s w i t c h i n gf r e q u e n c y , i no r d e r t ow o r ka tt h er e s o n a n c ep o i n t t h ec u r r e n tw i l li n c r e a s ew h e nt h e w i d t ho fa i rg a pi si n f i n i t e ，s om u s td e s i g nac u r r e n tr e g u l a t i o nl o o p m a k ec i r c u i tf a rf r o mt h e r e s o n a n tf r e x l u e n c y , t h ec i r c u i tc a nb er e d u c e ds t a n d b yl o s s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot e s t c h a r a c t e r i s t i c s ，t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e , a n dp o w e rr e q u i r e m e n t s ，u s eo f l i t h i u m i o nb a t t e r yc h a r g e r c h i pt oc o m p l e t et h ep r o d u c t i o no f t h ee n t i r es y s t e m k e yw o r d s ：i n d u c t i v ep o w e rt r a n s f e r ，l o o s e l yc o u p l e d ，c h a r g e r 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第一章绪论l 1 1 研究背景和目的l 第二章感应线圈基本特性分析与电池充电技术3 2 1 前言。3 2 2 电磁感应的基本原理介绍3 2 3 磁性材料的基本特性3 2 3 1 磁化曲线3 2 3 2 铁磁材料介绍4 2 3 3 感应结构类型一5 2 4 二次电池介绍5 2 4 1 铅酸蓄电池5 2 4 2 镉镍电池和镍氢电池6 2 4 3 锂离子电池6 2 5 电池充电方法6 2 5 1 定电流充电法6 2 5 2 定电压充电法一7 2 5 3 定电流与定电压充电法7 2 5 4 脉冲充电法7 第三章半桥串联谐振变换器9 3 1 前言9 3 2 变压器等效模型9 3 3 电磁感应互感模型分析和补偿电路一1 0 3 3 1 补偿电路l l 3 3 2 副边补1 尝1 1 3 - 3 - 3 原边补偿l3 3 4 半桥串联谐振变换器结构1 3 3 5 半桥串联谐振变换器的效率分析1 6 3 5 1 半桥串联谐振变换器的工作状态1 6 3 5 2 原边谐振电路的效率1 7 3 5 3 副边整流电路效率1 8 第四章硬件电路设计19 4 1 前言1 9 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 原边电路设计。1 9 4 2 1 闭合控制电路的设计原理2 0 4 2 2 半桥驱动电路2 3 4 2 3 频率调节控制电路2 4 4 2 4 电流调节电路3 0 4 3 副边电路设计3 2 4 3 1 稳压电路3 2 4 3 2 充电电路3 3 4 4 电路设计流程和电路图3 5 第五章总结3 7 参考文献3 8 致谢4 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 电能是人类不可不可缺失的能源，但是在电能在传输过程中，大量能量损耗在传输导 线上，无线电能传输技术一直是研究热点，但是现有的无线电能传输技术存在着传输功率 小，效率低，存在着大量辐射等缺点，随着新技术的不断发展，相信无线电能传输技术将 不断进步，逐步取代现有的导线传输。 本文主要介绍松耦合无线电能传输系统的原理和结构，并研究这种结构在充电器上的 应用。 1 1 研究背景和目的 传统的导线式电能传输系统通过物理连接传递能量，具有传输功率大、效率高等 特点，一直在供电系统中普遍采用，但是随着对供电品质、安全性、便捷性等特殊应 用场合的需求，迫切需要无线输电方式。无线供电不需要物理接触即可传输电能，在 此研究领域中，人们不断尝试新技术突破导线传输的局限，但是无线传输电能还处在 研究阶段，尚不能在工业领域中大规模应用，但是无线供电拥有很多优良品质，是目 前的研究热点，相信不远的将来，无线供电技术会取得突破【1 1 。 现在已经问世的无线供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为二类： 第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理，这种非接触式充电技术在许 多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流 在一个线圈中流动时，所产生的磁场成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。这 种技术原理简单，但是磁场很难穿过空气介质，所以这种技术传输效率低下，其本质 是2 个耦合电感，和普通的变压器原理是相同的。目前这种技术在传输距离和效率要 求不高的情况下得以应用，如机车和铁轨之间。通过电磁感应原理实现无线供电不是 彻底的无线供电。 第二类是最接近实际应用的一种技术，他直接应用了电磁波能量而不是上文中的 电磁感应，所以和电磁感应相比，由于电磁波能在空气中传播，所以其传输距离远， 但是也由于电磁波是发散开在整个空间，大量能量浪费，效率也很低下，所以人们认 为电磁波适合于传输信息而不是能量，所以在此后的1 0 0 多年间，无线供电技术停止 t 一1 上 1 、日uo 近年来无线供电技术重新引起人们的重视，麻省理工学院以m a t i ns o l i j a c i c 为首 的研究团队演示他们新的无线供电技术，利用非辐射磁场内部的谐振。使距离数米外 的二个铜线圈产生的感应电能足够使灯泡发光。他们还发现，既使两个谐振线圈间有 障碍物存在时，感应电能也能让灯泡继续发光。这项称为w i t f i c i t y 的无线供电技术， 关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。普 通的磁耦合被用于短距离范围，它要求被供电或充电的设备非常靠近感应线圈，因为 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 磁场能量会随距离的增加而迅速衰减，因而在传统的磁感应中，距离只能通过增强磁 场强度来增加。与此不同，w i t r i c i t y 使用匹配的谐振天线，可使磁耦合在几英尺的距 离内发生。与电磁感应耦合相类似的是，这种耦合使用单线圈，两端放置一个平板电 容器，也便组成谐振电路，提高传输效率。当然也有人认为这不过电磁波近距离辐射 原理的发展，此前也有类似的技术，只不过增加了谐振电容，提高了传输距离，但是 这也使系统体积庞大。另外，这种技术还具有很高的辐射，对人体产生有害影响，并 对旁边的电子设备产生干扰，但是在不远的将来，电磁感应耦合技术会在小功率、短 距离场合得到应用，比如室内的手机和其他便携式设备。 无线电能传输技术的一个应用领域是无线充电系统，利用电磁感应原理进行非接 触式感应电能传输的概念和技术，近年来被陆续提出和创新，至今，由于材料科学的 进步与工业上的需求逐渐广泛，以及环保和安全要求的日益严格，使非接触式感应电 能传输技术的应用范围不断成长。非接触式感应电能传输技术原理如图1 1 所示，初 级线圈输入端输入交流电流，在次级线圈中产生交变磁场，次级线圈感应接受磁场能 量，通过滤波整流输出为直流电压，其中二个感应线圈间距离为几毫米到几十厘米不 等。视传输功率和传输效率决定【2 】。 图1 1 表示了一般松耦合系统的结构。松耦合系统通过大间隔的耦合电感传输电 能，所以产生很大的漏感，造成耦合系数k 接近o 4 或更低，副边漏感往往大于耦合 电感，因为耦合电感不是远远大于副边漏感，造成原边电流很大一部分通过耦合电感 流回电源，因而效率低下。为了提高效率并减小设备体积，通常的办法是提高工作频 率并使其工作于谐振状态，这时工作电流近似为正弦波形。谐振电路可以在原边，也 可以在副边。因此，如果在电池充电领域应用松耦合感应电能传输技术，虽然在电能 传输效率上无法与直接使用导线传输相比。但是有其无实体接触触点、高安全性、高 绝缘度等特点，而且，随着近几年磁性材料的不断进步，松耦合感应传输系统的效率 可以通过选定适当磁性材料，提高工作频率来获得改善，使其更具有实用性【3 1 。 直 流 接 电 收 充 电 发 源 斗射 转 电 管 电 斗 换 电 理 路 电 路 模 路 直 式 流 电 图1 1 无线能量传输系统 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 前言 第二章感应线圈基本特性分析与电池充电技术 本章分为二个部分，第一部分描述电磁感应现象和磁性材料的基本物理性质和可分离 变压器的基本特性，然后介绍目前常用的二次电池种类和充电方法，选择合适的充电方法 对电池的寿命和容量都有决定性的作用。 2 2 电磁感应的基本原理介绍 移动的电荷和电流能产生磁场，电磁学中的重要定律全电流定律也称为安培环路定理 是用以确定电流和磁场强度之间关系的重要定律。 设空间有n 根载流导体，环绕载流体的任意磁通闭合回路中，磁场强度的切向分量沿 该回路的线积分等于该回路所包围的电流代数和，即 h 刃= ( 2 1 ) 式中，h 为沿该回路上各点切线方向的磁场强度分量，为每根导体中的电流，表明磁场 强度沿闭合回路的线积分与路径无关。 2 3 磁性材料的基本特性 2 3 1 磁化曲线 磁场通过铁磁物质时，将使铁磁物质内磁场强度发生很大变化，这种铁磁物质因为被 磁场作用后磁场强度大大增强的现象称为物质的磁化现象，被磁化的物质成为磁介质，如 果将完全无磁的铁磁物质放在磁场中，让磁场强度逐渐增强，测量铁磁物质内的磁通强度。 可以绘出磁场强度和磁通强度的关系曲线，该曲线即为磁化曲线，不同物质的磁化曲线不 同，可以根据磁化曲线的差异分类铁磁物质。 观察铁磁物质的磁化曲线，如图2 1 所示，可以发现铁磁物质内磁通强度随着磁场强 度的不断增强而线性增加，当增加到一定值时，磁通强度不再增加，此时的磁通强度为b 。 为饱和磁通强度，如果此时将磁场强度减少，b 值将不会按照原来的上升曲线返回，而是 更加缓慢地减少，即磁场强度h = 0 时，b 却不等于零，即铁磁物质内还有剩磁存在，这种 磁化曲线和退磁曲线不重合的现象称为磁化的不可逆性。 如果继续减少磁场强度h ，使其为负，反响的磁场达到一定值时铁磁物质内的磁通强 度才为零，此时才能完成铁磁物质的退磁。但是并不是铁磁物质恢复到原本的状态，而是 一部分磁畴任保留原磁化磁场方向。而另一部分在反向磁化作用下改变为外磁场方向，二 部分相等时，合成磁感应强度为零。 如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 随着一h 值的增加，反向的b 也增加。当反向磁场强度增加到h 。时，则b b 。达到反向饱 和。一h = 0 时，b b r ；要使一b r 为零，必须加正向h c ，如h 再增大到h 。时，b 达到最大值 b 。，磁介质又达到正向饱和。磁场强度形成了一个对原点o 对称的回线，称为饱和磁滞回 线，或最大磁滞回线【4 1 。 2 3 2 铁磁材料介绍 + b s 1l 七b r ? | 一h ? 1 + h c 易 ，r + h 一b r e 图2 1 磁滞回线 可以根据磁滞回线的形状把铁磁物质分为二类，如图2 2 所示。如果回线宽度很宽， 即在磁场强度为零时，铁磁物质内的磁通强度依然很大，这种材料在磁化时需要很高的磁 场强度才能使其饱和，同时也需要更高的反响磁场才能退磁。这种磁化困难的铁磁物质称 为硬磁材料。常用于电机和仪表内产生恒定的磁场，在开关电源中，为减少直流滤波电感 的体积，有时也用这种永磁材料产生恒定的直流偏置，这种材料的特点总结来说就是磁化 曲线宽，娇顽磁力高。 相反，另外一种材料在较弱的磁场强度下即可达到饱和磁通强度，同时也只需要很小 的反向磁场就可以使磁通强度为零，即容易磁化，也很容易退磁。这种材料称为软磁材料。 j 7 ( ， 硬磁材料 jl 彳歹 i j 力 i 图2 2 铁磁物质的磁化曲线 软磁材料 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 3 3 感应结构类型 感应结构类型主要来自铁芯外形的差异，不同的感应结构所产生的感应特性不尽相 同。常见的铁芯感应结构有u 型、e 型、r m 型等，其中的e e 型和u u 型外形如图2 - 3 所 不。 一一 一u u 型e e 型 图2 3u u 型和e e 型变压器结构 由毕奥萨伐定律，线圈上方的磁场强度与垂直距离和线圈半径有关，由于空气的磁导 率远小于铁磁材料，故变压器的磁场主要分布在铁芯材料中，在铁芯材料中闭合的磁通称 为主磁通，通过空气闭合的磁通为漏磁通，利用电磁学磁阻概念，可以分析不同变压器结 构类型的耦合效率【5 1 。 磁阻r m 概念和电阻相似，与磁通路径长度l 成正比，磁导率和路径面积a 成反比， 如式： ， b 2 方 坤2 ) 2 4 二次电池介绍 电池是将化学能转换为电能的器件，化学电源在氧化还原的过程中将化学能转换为电 能，一次电池是一次性的电池，即不能再将电能转换为化学能储存在电池中，二次电池是 可多次反复使用的电池，这里的二次实际上时多次的意思。根据电池材料的不同，二次电 磁可以分为为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池等【6 1 。 2 4 1 铅酸蓄电池 铅酸电池发明最早，但是目前任大规模应用。铅酸电池的特点是放电电压稳定，即可 以小电流放电，也可以大电流放电；工作温度范围宽，这种电池技术成熟，成本低廉，跟 随负荷输出特性好，但这种电池也有明显缺点，例如重量大，质量能量比低，需要维护， 充电速度慢。近年来出现了双极性密封铅酸电池和水平式电机密封铅酸电池，其内阻大幅 度降低，从而大大提高了比能量和充电速度，其寿命可达1 0 年之久。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 2 镉镍电池和镍氢电池 镉镍电池具有充放电次数多，工作寿命长，长期不用也不影响寿命，可靠耐久，容易 使用等特点，缺点是镉较贵和污染环境，镍氢电池能量高，是镉镍的二倍，是铅酸电池的 三倍，镉镍电池具有良好的充放电性能，可随充随放，快充深放，无记忆效应，不含铅， 汞等重金属，对环境无污染，被称为绿色电池。 2 4 3 锂离子电池 锂离子电池是近年来新发明的电池，具有很多优良特性，近年来大规模运用于手机和 其他便携式设备中，锂离子电池具有很高的体积能量比，是镍氢电池的1 5 倍和铅酸电池 的3 倍，其放电电压为3 6 v ，并且放电电压平稳，电池自放电时间很长，充电速度快，循 环充放电次数高。和镍氢电池一样，锂离子电池没有记忆效应，由于锂离子不污染环境， 所以同样是环保清洁电池。锂离子电池的缺点是容易受到充电器过充和过放的损害，锂离 子电池对温度也很敏感，过高温度会损害电池甚至发生爆炸，所以锂离子电池的充电器需 要不断检测电池的温度并保证充电电压平稳。 2 5 电池充电方法 二次充电的循环使用过程中，可以使用不同的充电方法来对其进行充电。在选择最适 合的充电方法时，应考虑二次电池的使用频率、放电倍率、用途等因素。为此，下面对不 同的充电方法作简单描述。 2 5 1 定电流充电法 所谓定电流充电法。是在充电时让电池流过恒定电流，由于需要一个恒流源，所以这 种充电器价格过高，一般采用准恒流源代替，定电流充电效率高，可以很方便地改变充电 电池的数目，通过充电电流大小便可以决定电池充电时间。但是定电流充电方法的缺点是 当充电电流很大时，电池内部会有剧烈电化学反应导致电池温度过高，影响电池的寿命。 所以在充电过程中必须以小电流充电并及时断电，以保证安全。电池的充电特性曲线如图 2 4 所示。 ( a ) 充电器特性 图2 4 恒电流充电特性曲线 ( b ) 电池特性 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 5 2 定电压充电法 定电压充电方法是使电池端电压保持恒定，由于在充电初期，充电电流很高，随着充 电过程不断减少，电池电压则不断增加。如图2 5 所示，因此充电电流的最大值设定在充 电电压最高时，防止过充。这种方法使用简单，但效率低下，且容易损害电池。所以很少 单独使用。 ( a ) 充电器特性 2 5 3 定电流与定电压充电法 图2 5 定电压充电方法特性曲线 ( b ) 电池特性 可以将定电流和定电压方法结合使用。各自发挥其特点。其充电特性曲线如图2 6 所 示。在电池在充电过程开始阶段充电电流很高，所以在前期运用定电流充电法，后期则改 为定电压充电法，分阶段的充电方法是电池最理想的充电方式，缺点是充电电路必须检测 电池电压的变化，这使充电电路复杂并提高了充电器价格。 2 5 4 脉冲充电法 ( a ) 充电器特性( b ) 电池特性 图2 6 定电流和定电压充电特性曲线 根据充电过程中电池的化学反应，如果充电过程中能减少或消除副反应，去除极化电 阻对充电电流的阻碍作用，则充电过程大大缩短，定电流，定电压充电方法都不能消除极 化现象，此时若能在电池充电过程中为其提供一条放电通道让其反向放电，则极化现象将 迅速消失，电池内部温度也会因放电而得到有效控制，充电副反应不存在，电池就可以接 受大充电电流，这就是脉冲充电方式的基本原理，但是此方法的大电流充电造成内部两级 的离子浓度差异极大，降低了电池寿命，电池充电电流如图2 7 所示： 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 7 脉冲充电法 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 1 前言 第三章半桥串联谐振变换器 本章首先简要说明非接触式感应系统的基本电路结构，然后讨论原边电路的串联补偿 问题，最后讨论半桥串联谐振变换器效率。图3 1 所示为非接触式感应充电系统的结构图， 直流电源输入半桥电路后产生高频方波，这种d 类半桥电路结构简单效率高，其主要缺点 是输出电压是输入电压的1 2 ，高频方波经过原边的补偿电路后产生连续交变磁场，通过 副边线圈产生交变的电流，再通过整流滤波电路产生直流电。 翌巨 图3 1 非接触式感应充电器结构图 3 2 变压器等效模型 实际变压器的等效电路如图3 2 所示【刀： 图3 2 父臆器阴等双电路 各个物理量描述如下： 互和岛为原边和副边电动势，且鲁= 等。 i p - 原边电流，i s 的原边感应电流，且苦= 瓮。 i c 铁芯损耗电流。 k ，为铁芯励磁电流，i 。为磁化电流。 痢幽 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 r l 和r 2 为原边和副边的等效阻抗，铁芯的等效阻抗。 x l 和x 2 为原边和副边的等效漏电感，x m 磁化电感。 电磁耦合互感模型如图3 3 所示： l pi p 如 图3 3 耦合电感等效电路 利用感应电压描述原边电路和副边电路的耦合效应，感应电压以互感m 来表示， - j c o 帆和归m ，p 分别为原边和副边的感应电动势，缈为系统频率，= 弘坶为副边开 路电压，k m ，i 尸为副边短路电流，松耦合变压器的耦合性能较差，处于松耦合状态， 原、副边电压不满足绕组匝数比例关系，因此，用互感模型来表示松耦合变压器的等效电 路模型是合适的【8 1 。 3 3 电磁感应互感模型分析和补偿电路 首先，将非接触式感应电能传输系统用互感耦合模型来进行分析，同时把副边电路阻 抗等效到原边，其等效电路如图3 4 所示： ， 图3 4 非接触感厘电能等效电路 副边等效阻抗为： 互：j e o 了m i v ：( r s + 吃) + 弘岛 ( 3 1 ) 由耦合电感等效模型可知副边阻抗等效到原边为： z ，：碍+ ：一j c o ，m l s ：华 ( 3 2 ) 耳= i 夏焘( 足+ r ) ；墨= 一i 夏了：r o j 3 i m 丽2 l s ( 3 3 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 最= 露( 饰+ r ) ( 3 4 ) 咄去 ( 3 5 ) 其中，耳为等效电抗在原边的电阻部分，鼍为等效电抗部分，电阻部分所吸收的功 率即反映出变压器传输到副边的功率。随着频率的增加，等效电抗逐渐增加，当频率恒定 时，特定负载下，等效电抗有最大值【9 】。 3 3 1 补偿电路 由于变压器大气隙的存在，使变压器的耦合电感变大。为了实现原边电路的谐振，使 传输效率更高，需要对电路进行补偿，补偿的方式有很多种，下面对电路补偿方法逐一进 行讨论。针对不同应用得出适合的补偿方式。 3 3 2 副边补偿 在非接触感应电能传输系统中，存在着较大的漏电感，限制了其传输的有功功率。为 了尽量减少系统消耗的无功功率，一般采用补偿容抗来平衡电路中的感抗。原边的补偿电 容是为了平衡原边的漏感抗和副边的反应感抗，从而减小系统的视在功率，提高功率因数。 副边的补偿电容是为了减小副边的无功功率，增大输出功率。基本的补偿拓扑有电容串联 补偿和电容并联补偿两种形式。若原、副边分别采用串联或并联补偿方式，则系统的补偿 拓扑方式共有4 种：串联串联补偿拓扑、串联并联补偿拓扑、并联串联补偿拓扑、并联 并联补偿拓扑，见图3 5 到图3 8 所示。 图3 5s s 架构 p 图3 6 s p 架构 l ， 图3 7p p 架构图3 8p s 架构 不管选用何种补偿电路，都可以将副边电路等效到原边，所以上述四种电路的等效电路 图分别为原边为串联电容补偿和并联电容补偿。如图3 9 所示： 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 c p k 图3 9 串联补偿和并联补偿 副边为电容串联补偿时，电路阻抗为： g $ 1 - 弘岛+ 壶枷 ( 3 6 ) 副边电路的输出功率为： 副边为电容并联补偿时， 此时输出功率为： p o = 墨匕 肌卜划 电路阻抗为： 砧弘岛+ ( 壶懈 p o = 丢c z r “ ( 州吣爿 由耦合电感模型得知，副边等效到原边的等效阻抗为： z r 。= r + i x , = 百( 1 ) 2 m 2 将z s 。值带入( 3 1 0 ) 式，若副边为电容串联补偿时，其等效阻抗为： z ：r - = 两国而2 c 2 m 2 r 面一一，高c s m 等寒 而副边为电容并联补偿时，等效阻抗为： 7一 0 9 2 m 2 r ，c 0 3 m 2 c s r 2 ( c 0 2 c s l s - 1 ) + l s z 订2 再瓦孑习1 瓦i f f ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 当工作频率如式所示3 1 3 时，副边电容c s 和副边电感l s 在此频率下谐振，副边容纳与 感纳互消，导纳等效为纯电导，输出电流等效为副边短路电流，与负载无关，理论上电能 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 传输不受限制，输出功率最大。副边电容补偿的等效电抗如表3 1 所示【1 0 1 。 1 2 雨 3 1 3 表3 1 副边谐振频率下的反射电阻和电抗值 3 3 3 原边补偿 副边串联补偿副边并联补偿 国2 m 2肘2 r e ( z ，) 尺 乓 缈2 m 2 h ( z ，)0 k 由于原边回路电感参数大，系统工作在高频下必然产生大量无功功率，导致原边电路 功率因数低，为了提高原边功率因数，减少视在功率，必须对原边进行补偿设计，也称为 原边谐振问题，其补偿方式也分为串联补偿和并联补偿两种方式，其电容补偿方式和对应 补偿电容值如表3 2 所示【l l 】。 表3 2 电容补偿方式和对应补偿电容值 s s 架构 s p 架构p p 架构p s 架构 1 1 一等 4 c p 彩2 矿卜等( 竿卜2 ( 钭材卜科 3 4 半桥串联谐振变换器结构 原边电路为d 类半桥切换电路，电容串联补偿，由于实际电路中谐振频率随着负载变 化而变化，所以需要设计控制电路，控制方式采用变频控制，使系统达到谐振频率或在谐 振频率附近工作。 将直流电输入d 类半桥串联谐振变换电路，直流电经过高频半桥切换电路后产生具有 直流成分的高频方波，将此方波输入串联谐振电路，从而使感应线圈产生类似正弦的变化 电流，图3 1 0 为d 类半桥电容串谐振变换器，图3 1 1 所示为半桥谐振电路的主要波形图， 半桥电路的工作状态可简要分为t o 到t 5 六个工作状态，如图3 1 2 ( a ) 到( f ) 所示【1 2 】： 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 ： 图3 1 0d 类半桥电容串联谐振变换器 f ii ，一 、 、 厂一j | 0 1- 一 一一 。、 _ 、 、 l 厂 k 气乞岛 f 4f 5 图3 1 1 半桥电路波形图 状态一m t 1 ) ：电路工作状态如图3 1 2 ( a ) 所示，当时，开关s 1 打开，s 2 闭合，开 关管电压为电源电压v d c ，电路电流k 逐渐上升，当h l 时，开关s l 闭合，此状态结束。 状态二( t 1 t 2 ) ：电路工作状态如图3 1 2 ( b ) 所示，此时二个开关管都为关闭状态，此时感 应线圈的输入电流维持原方向流动，输入电流i i n 分别对开关管的寄生电容c a l 和c a 2 充 放电，因此电容c d s l 的电压逐渐升高，电容c d s 2 的电压逐渐减少。 状态三( t 2 t 3 ) ：电路工作状态如图3 1 2 ( c ) 所示。状态三时开关管都为闭合状态，当吨 时，电感电流也将电容c a l 的电压充至v d c ，此时c a 2 的端电压放电完毕。感应线圈电流 通过开关管内部续流二极管续流。 状态四( t 3 t 4 ) ：电路工作状态如图3 1 2 ( d ) 所示，h 3 时，开关s 2 导通，开关s 1 继续闭 合，v m 2 端电压为零，感应线圈电流开始换向，电流通过s 2 且逐渐上升，当t - t 4 时，开 关s 2 闭合，此状态结束。 状态五m t 5 ) ：电路工作状态如图3 1 2 ( 0 所示，此时开关管s l 和s 2 都闭合，寄生电容 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 通过感应线圈放电，直至到零，电源电压给开关s l 的寄生电容c o s 2 充电至开路电压v o c 。 状态六( t s t o ) - 电路工作状态如图3 1 2 ( t ) 所示，寄生电容c o s 2 充电至v d c ，寄生电容 c o s l 放电至零，感应线圈电流通过开关管s l 的反并联二极管续流。开关管s l 的端电压为 零，此时若开通s 1 ，可以实现零电压开通【1 3 1 。 ( a ) t o t l ( c ) t 2 - t 3 ( b ) t l - 乜 ( d ) b - “ ( e ) t 4 - t 5( d t s - t o 图3 1 2d 类半桥谐振的六个电路工作状态 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 5 半桥串联谐振变换器的效率分析 图3 1 3 是半桥串联谐振变换器的电路图，图3 1 4 是半桥串联谐振变换器的等效电路， l 。，厶和e 分别是外加电感，变压器原边漏感和串联谐振电容。l 是耦合电感，厶：是 副边漏感。乞是当变压器副边短路时的等效漏感。因而变换电路的谐振频率为 ，：告，由图3 1 4 所示的等效电路可得输入输出电压增益为：i m i = 吧哪1 4 1 ， 打2 万k q 。 其中： 肘：上 式中： 互互 z 。+ z o + z z z 。+ z 。z 。+ z 。z p + z 。z p z i + z o + z i l n l ”t ( 2 万厂) 2 c j 吖￥5 “i z ， ( 3 1 4 ) z p = j o ) l a 。+ j l l l + 1 j o g c , ，z = j l m l = n 2 鹏，z o - 2 ，。丽1 件u 如k2 等坪 川+ 警，g = 跫，如= 砉吃 l2 c z= 一 i2、 图3 1 3 半桥谐振变换电路 萨竺 趣一 厂+ 一 降避 广一1 p，鞭 ：2 心l 图3 1 4 半桥谐振变换电路的等效电路 3 5 1 半桥串联谐振变换器的工作状态 半桥串联谐振变换电路工作模式如图3 1 5 和图3 1 6 所示。电路中副边整流电路的交 流等效阻抗为：= 8 万。r ，因此，把松耦合系统分为二个部分，一个是原边串联谐振变 换器部分。另一个是副边整流电科1 5 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 图3 1 5 电路工作模式1图3 1 6 电路工作模式2 3 5 2 原边谐振电路的效率 在半桥串联谐振变换器中，变压器原边电流近似正弦曲线，副边整流电路只把正弦电 流的基波变换为直流。因而变压器副边阻抗可等效为2 屯。为了使系统实现柔切，开关 管开关频率( f ) 稍大于系统谐振频率。根据电路中电流方向，可把电路工作状态分为二个 工作模式，分别如图3 1 5 和图3 1 6 所示。图3 1 5 中电流正向通过q i ，图3 1 6 中电流 流过反向并联二极管。等效电路中为开关管压降，为反并二极管压降，屯。为外部 电感内阻，心为谐振电容等效阻抗，r ，。原边绕组阻抗，r ，。为副边绕组阻抗。由图3 1 4 中的等效电路，得输入阻抗( 互。) 和相位角( 秒) ： 口1 瓦吖2 万i l 叫f 学一 三圪 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) k = 妻j c r 。s 洫砣倒啊耐 ( 3 1 8 ) 彳( 弘) 2 而瓦丽j c 瓦o l , , , 丽 3 1 9 ) 式( 3 1 9 ) 为负载电流( a 。) 和原边电流的比值，由式3 1 5 到式3 1 9 可得谐振变换器的效 率为1 6 】： r ，= j 尘l l 一= l = 。广 一“聃e l + 乞。掣( 兄) + ( 笔) 2 丸+ 急m s 心p i 鱼：! ：! ：生 2 ( 3 2 0 ) 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 3 5 3 副边整流电路效率 图3 1 7 为副边整流电路图，图3 1 8 为等效电路。在等效电路中，砟为二极管导通电 阻，为二极管正向压降，为电容内阻。4 ( f l o ) 是变压器原边电流，i r ：( m r 彳( 归) ) 是变压器副边电流。变压器副边平均电流为l 。其中，输出电流l 和电容电流l 如式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) ，负载为见时的效率如式( 3 2 3 ) 所示t 1 7 】： 1。 l 2 言j ：n l 。d s i n n t o t ( d c o t ) ( 3 2 1 ) i 舌= 驴巧2 夏至圈 “，1 几，i2j “oi8 1 j ，f l ? r l 综上可得总效率为：r = 仇仇 厶4 纠岛= v a 蟠yj i ) 2z对 。二2 _-。 izz 厶4 纠 v 矩 v a 季 图3 1 7 副边整流电路图图3 1 8 副边整流电路等效电路 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 4 1 前言 第四章硬件电路设计 本章将详细介绍硬件电路的结构，系统主要分为原边驱动电路及副边整流滤波充电电 路。利用上文中对松耦合结构、补偿电路、半桥串联谐振变换器效率的讨论结果，设计闭 环回路控制电路以保证电路工作效率和空负载情况下的安全。其中，系统采用的可分离变 压器的气隙大约为2 m m ，为了简化分析，设定负载为纯电阻负载。 4 2 原边电路设计 如图4 1 为非接触式感应电能传输系统的原边电路结构，电源为经2 2 0 市电变换后为 直流1 2 v ，作为半桥变换电路的直流电源。然后，由驱动电路所产生的高频方波送到由补 偿电容和感应结构所组成的l c 谐振变换器。再经由感应结构产生感应耦合磁场。经过副 边电路变换到电池充电电路，实现了2 m m 的无线电能传输【l s j 。为了保证系统安全稳定和 提高效率，采用双闭合回路控制电路，第一个闭回路控制为谐振点追踪电路【1 9 】，针对器件 参数误差、可分离变压器气隙距离变动。使闭合回路控制半桥电路切换频率跟踪电路谐振 频率，保证电路工作在谐振状态。第二个闭合回路是为了保证当电路工作在空载情况下时 2 0 1 ，使电路工作频率偏离电路谐振频率，减少电路空载时的电流。减少变换器在空载情况 下的损耗，使其在副边感应线圈远离原边时能保持低功耗状态。 4 1 原边电路结构图 充电控制之感应电容串联 牛奉整善霉波 一 芯片 一f - 电池 结构 一 t补偿 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 副边电路结构图 如图4 2 为副边电路的结构图，耦合电感将原边电能传输到副边，并经由补偿电容修 正电能输出特性后将电能转换为充电电路所需直流电源。充电电路主要由锂电池及其充电 控制电路构成，充电芯片控制在充电过程中的蓄电池温度及对端电压进行侦测以掌握充电 状态，并确保充电过程安全。从而实现