感應(yīng)耦合式鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)設(shè)計(jì)研究-文庫吧

【正文】 慮電壓增益 特性，補(bǔ)償電路的電壓應(yīng)力，得出系統(tǒng)工作時(shí)最優(yōu)頻率范圍以及原邊線圈的自感參數(shù)。4) 對(duì)原邊電流進(jìn)行采樣，采樣后對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理送入鎖相環(huán)電路或者UC3875， 采樣精度以及電流轉(zhuǎn)換處理電路是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。5) 系統(tǒng)采用市電220V交流為供電電源，需要先整流，再高頻逆變，送入能量發(fā)射線圈， 需要整流模塊和斬波模塊。控制原邊電流保持恒頻恒流，恒流實(shí)際上需控制整流斬波 輸出的直流電壓，此直流電壓需具有較高的分辨率。2感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)溲芯?傳統(tǒng)的電能傳輸方式，是利用金屬導(dǎo)線、插頭和插座等將電源和負(fù)載連接起來，構(gòu)成 一個(gè)完整的電流回路，從而傳輸和消費(fèi)電能。這種傳輸方式，存在著諸如金屬裸露、碳積、 接觸火花、機(jī)械磨損等弊端，這在一些特殊的電氣場(chǎng)合，比如水下、礦井、醫(yī)療[111等領(lǐng)域, 所帶來的安全隱患不容忽視。感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心，將傳 統(tǒng)電能傳輸?shù)囊粋€(gè)電流閉合回路，調(diào)整為兩個(gè)獨(dú)立的電流回路，即原邊電路和副邊電路， 也稱之為能量發(fā)送端和能量接收端，從而實(shí)現(xiàn)了電源與負(fù)載之間真正意義上的電氣隔離。 電能的傳輸不再依賴于導(dǎo)線的排布，徹底消除了開關(guān)電弧、火花等，尤其在供用電領(lǐng)域， 完全消除了傳統(tǒng)輸電方式所帶來的上述弊端。而且，無線電能傳輸方式大大簡(jiǎn)約了電路布 線，節(jié)約空間，美化環(huán)境，正因如此，對(duì)無線電能傳輸技術(shù)的研究己經(jīng)成為近年來的研究 熱點(diǎn)[12_15]。本章將探宄小功率無線電能傳輸系統(tǒng)的電路拓?fù)洌o出充電平臺(tái)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。無線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心【16】[33]，正是可分離變壓器的存在，將傳統(tǒng)電 能傳輸?shù)碾娏骰芈贩指顬閮蓚€(gè)回路，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。可分離變壓器區(qū)別于普通變壓器， 普通變壓器的一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組在空間上繞在一起，共用同一鐵芯，在外部封裝結(jié) 構(gòu)上又固為一體，所以，雖然普通變壓器同樣利用電磁耦合實(shí)現(xiàn)了一次側(cè)和二次側(cè)的電氣 隔離，但是固為一體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得兩側(cè)電氣隔離的電路又形成了視覺直觀上的同一電 路系統(tǒng)。也就是說，負(fù)載端和電源端在機(jī)械上仍連在一起，負(fù)載端和電源端不存在相對(duì)位 移。可分離變壓器則改變了這一現(xiàn)狀，一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組纏繞在各自的鐵芯上，鐵 芯之間無相對(duì)固定位置，在電氣隔離的基礎(chǔ)上又實(shí)現(xiàn)了空間隔離，電源端和負(fù)載端獨(dú)立為 兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非接觸的電能傳輸過程。電能是利用電磁耦合原理從可分離變壓器的原邊傳遞到副邊，因此所傳遞的電能只能 為交流電能。本文的特定負(fù)載為鋰電池，需要特定大小的直流充電電流，副邊所接收到的 交流電能還需要經(jīng)過整流濾波電路，穩(wěn)壓控制電路等的處理，才能供給負(fù)載使用。可分離 變壓器因氣隙較大，導(dǎo)致能量傳輸效率低下，為提高能量輸送效率，通常提高交流頻率， 采用高頻交流電，而不再是我國市電規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)50Hz。這就需要在原邊加裝整流和逆變 電路，先將市電50Hz整流為直流，再把直流逆變?yōu)樾枰母哳l交流。可分離變壓器系松耦合，漏磁通很大，導(dǎo)致整個(gè)電能傳輸系統(tǒng)的功率因數(shù)低下，能量傳輸效率低。為了提高功率因數(shù)，在可分離變壓器的原、副邊增設(shè)補(bǔ)償電容，構(gòu)成補(bǔ)償電 路。補(bǔ)償電容容量的選擇跟補(bǔ)償方式也有關(guān)，依據(jù)電路的工作頻率，適當(dāng)選擇補(bǔ)償電容值, 使能量傳輸電路工作在LC諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)最大，接近于 1，傳輸效率最高。在實(shí)驗(yàn)室條件下，直接采 用直流電源，再逆變?yōu)楦哳l交流電，提供給原邊能量發(fā)射線圈，所以圖中未給出原邊電路 的整流部分。 如上圖所示，電路由可分離變壓器分為兩個(gè)部分，一個(gè)供電回路，一個(gè)用電回路。也 可以有多個(gè)用電回路，供給多個(gè)負(fù)載，形成一對(duì)多的供電系統(tǒng)。也可以有多個(gè)供電回路， 分別供給多個(gè)負(fù)載，形成多對(duì)多的供電系統(tǒng)。直流電源提供電能，經(jīng)過DC/AC逆變電路 轉(zhuǎn)化為高頻交流電，經(jīng)過補(bǔ)償電容，進(jìn)入能量發(fā)射線圈，即可分離變壓器的原邊，經(jīng)過電 磁耦合作用，可分離變壓器副邊接收到高頻交流電能，副邊的補(bǔ)償電路與副邊繞組構(gòu)成諧 振電路，濾掉高次諧波，感應(yīng)出正弦基波電能供給后續(xù)電路。交流電再經(jīng)過整流濾波成為 直流電能，直流電經(jīng)過電壓電流調(diào)整，供給負(fù)載使用。這是無線電能傳輸系統(tǒng)的主電路框圖，不同應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)的電路組成會(huì)不一樣，控 制電路也不相同。總的來說，控制電路大致分為兩類：?jiǎn)芜吺胶碗p邊式。控制信號(hào)取自原 邊繞組的電流或電壓，反饋至原邊開關(guān)電路，與基準(zhǔn)值作比較，從而調(diào)節(jié)輸出功率，改變 傳遞到副邊的電能，間接調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓或電流，稱之為單邊反饋控制方式。另一種更簡(jiǎn)單的控制方法為，不再在原邊增設(shè)反饋電路，原邊電路自始至終工作在特 定狀態(tài)，通過在副邊增設(shè)調(diào)壓電路，保證對(duì)負(fù)載的可靠供電。這種方法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí) 現(xiàn)，但功耗較大，效率偏低，也歸結(jié)為單邊控制方式[17】。雙邊控制方式，就是反饋信號(hào)采樣于副邊的繞組電壓或電流，或者直接是負(fù)載端的電 壓或電流，經(jīng)無線傳輸至原邊，原邊相應(yīng)處理電路根據(jù)反饋值做出響應(yīng)，從而調(diào)節(jié)原邊能 量發(fā)射端的傳輸功率，影響負(fù)載電路狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。需要指明的是，雙邊式控制方式中，反饋信號(hào)必須由副邊無線傳輸至原邊接收，具體方式可根據(jù)適用場(chǎng)合確定，比 如光電耦合、紅外傳輸、射頻，或者載波調(diào)制等，這樣，原邊至副邊能量的傳輸，副邊至 原邊信號(hào)的反饋，都通過無線方式實(shí)現(xiàn)，使得無線電能傳輸系統(tǒng)具有了名副其實(shí)的意義。選擇不同的控制方式，依據(jù)電路具體情況而定。通常來講，單邊式和雙邊式都能達(dá)到 控制要求，從控制精度來看，雙邊式更有優(yōu)勢(shì)，但電路更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高。小功率的感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的可分離變壓器，電路部分由原邊繞組和副邊 繞組構(gòu)成，即兩個(gè)耦合線圈。根據(jù)互感線圈有無磁芯，可分為兩類：有磁芯的和無磁芯的。 有磁芯的，根據(jù)磁芯形狀，又分為EI型、UI型、C型、0型等。 頻可分離變壓器的幾種磁芯類型。 芯的可分離變壓器。 EE55型可分離高頻變壓器 對(duì)可分離變壓器的建模分析[18_22]，通常有兩種近似模型：普通變壓器的T型等效電路 模型和互感線圈模型[354G]。普通變壓器是一個(gè)帶鐵芯的互感電路，因鐵芯磁路的非線性，在電機(jī)學(xué)里，一般不采 用互感電路的分析方法，而是把磁通分為主磁通和漏磁通進(jìn)行研宄。變壓器二次側(cè)折算后，常用T型等效電路表示。本文不再作原理推導(dǎo)。 T型等效電路適用于變壓器對(duì)稱、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在T型等效電路中，描述漏感的量為。在仿真可分離變壓器時(shí)，當(dāng)耦合系數(shù)改變時(shí)，將引起以上兩個(gè)量變化，且變化量不直觀，導(dǎo)致計(jì)算公式繁瑣，通常為分析簡(jiǎn)單計(jì)，不考慮該種建模方法。，可分離變壓器的氣隙很大，這跟無線傳輸?shù)木嚯x有很大關(guān)系，一 次側(cè)和二次側(cè)的繞組系松耦合，耦合系數(shù)遠(yuǎn)小于1，也即可分離變壓器的漏電感比普通變 壓器的漏電感要大的多，甚至漏電感大于勵(lì)磁電感，使用T型等效電路來分析，將產(chǎn)生較 大誤差。實(shí)際上，使用T型等效電路分析仿真可分離變壓器，僅適用于特殊場(chǎng)合，例如可 分離變壓器帶鐵芯或磁芯，氣隙很小，而且氣隙固定，一、二次側(cè)繞組無相對(duì)位移，變壓 器工作狀態(tài)無較大變化[31]。通常情況下，都采用更準(zhǔn)確的互感模型來分析建模。將可分離變壓器等效為兩個(gè)具有 $磁耦合關(guān)系的線圈，當(dāng)一、二次側(cè)繞組相對(duì)距離變化或中心偏移或相對(duì)位置變化時(shí)，表 現(xiàn)為耦合系數(shù)即互感值的變化。使用互感模型分析，不僅原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，而且針對(duì) 松耦合更為準(zhǔn)確。 12下標(biāo)為1代表一次側(cè)，即原邊，能量發(fā)射線圈，下標(biāo)為2代表二次側(cè)，即副邊，能量 接收線圈。矣是線圈的自感，A/為互感，j” /2分別為流經(jīng)線圈的電流，I)39。、么分別為線圈的端電壓，〃2分別為繞組的等效內(nèi)阻，amp。為負(fù)載阻抗。先討論傳輸效率/7與工作頻率/的關(guān)系。上文述及，可分離變壓器系松稱合，漏電感大，傳輸效率低，為提高效率，通常采用 提高工作頻率的方法，見如下關(guān)系式。整理得出可知，一次側(cè)相當(dāng)于電源，二次側(cè)相當(dāng)于負(fù)載，整個(gè)二次回路對(duì)一次側(cè)電路的影響可 以用一個(gè)等效阻抗$來表示，見下式。可知，傳輸?shù)蕉蝹?cè)的總功率就是等效阻抗$上消耗的功率，互感電路簡(jiǎn)化為如下 。可得傳輸效率為：分析上式，在電路工作狀態(tài)確定的情況下，即々、矣、n、rM、amp。的值為定值 時(shí)，傳輸效率與工作頻率之間存在如下關(guān)系：頻率越大，效率越高；頻率越小，效率越低。 需要指出的是，為了減小線圈的功耗，要求等效內(nèi)阻rp 〃2盡可能小，分析電路時(shí)通常為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)〃1=〃2171。0,考慮這樣的實(shí)際情況，則上式（25)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：可以看出，如果二次側(cè)的負(fù)載的阻抗角過大，則頻率的大小變化對(duì)效率的影響不再明 顯，如果負(fù)載為純電抗，則無論頻率如何變化，對(duì)效率都不再產(chǎn)生影響。只有當(dāng)負(fù)載為純 電阻或者阻抗角很小時(shí)，頻率與效率之間存在較為明顯的關(guān)系。需要注意的是，上文所說 的傳輸效率是二次側(cè)接收的能量A與一次側(cè)發(fā)出的能量A之比，側(cè)重可分離變壓器的傳輸能力，A并非是二次側(cè)負(fù)載所吸收的功率。，這種變壓器完全由兩組螺旋線圈耦合而成，直 觀上更像互感繞組。在分析此類變壓器時(shí)，不再考慮T型等效電路模型，直接近似為互感。 14本文研宄的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)，就是采用上圖所示的螺旋線圈。充電平臺(tái)應(yīng)該是一 個(gè)無傾斜的平面，鋰電池負(fù)載置于平面之上，所以可分離變壓器的原邊線圈應(yīng)設(shè)計(jì)為平面 線圈。另一種可行的設(shè)計(jì)方案，將原邊線圈制作成PCB線圈。 為使平面線圈在垂直方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)緊致均勻，同時(shí)又最大限度地利用平面面積，一 般采用正六邊形結(jié)構(gòu)，相對(duì)單層線圈，3層的正六邊形重疊結(jié)構(gòu)，層與 層的線圈中心錯(cuò)開一定角度，可以產(chǎn)生更為均勻的平面磁場(chǎng)。原邊的線圈設(shè)計(jì)在可分離變壓器參數(shù) 設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。它直接決定了繞組的傳輸效率和系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，在多負(fù)載應(yīng)用場(chǎng) 合，原邊線圈的性能直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)原邊線圈的設(shè)計(jì)要求是，在充電平面的有效區(qū)域內(nèi)，力求磁場(chǎng)均勻一致，同時(shí)線圈的內(nèi)阻不宜過大，在小功率充電場(chǎng)合，控制在幾歐姆上下。當(dāng)副邊線圈置于平臺(tái)區(qū)域上，要求不同位置耦合性能一致。下文分析時(shí)，均采用互感模型來仿真可分離變壓器。補(bǔ)償電路有單邊補(bǔ)償和雙邊補(bǔ)償之分。單邊補(bǔ)償指的是僅僅在系統(tǒng)的原邊或者副邊有 補(bǔ)償電路，而另一側(cè)沒有。雙邊補(bǔ)償則在原邊和副邊都裝設(shè)補(bǔ)償電路。如前所述，可分離變壓器或者線圈漏感較大，導(dǎo)致整個(gè)電路功率因數(shù)低下，系統(tǒng)無功 功率過大，加重了電源負(fù)擔(dān)。補(bǔ)償電路是通過增加補(bǔ)償電容C,使之與線圈的等效電感L 構(gòu)成LC諧振電路，從而提高傳輸能力，增大功率因數(shù)。根據(jù)電容C與電感L的連接方式, 具體的補(bǔ)償方式有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償之分[26]。2. 分析原邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償特性。 由式（23)可知，原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容C,后，一次側(cè)的等效阻抗更新為如下式所示:忽略線圈的寄生電阻，設(shè)1=〃2=0,負(fù)載阻抗4 =凡+_/^，上式（27)整理如下：補(bǔ)償電容使電路工作于諧振狀態(tài)，據(jù)此上式的虛部應(yīng)為0。艮由M = k^I；，々為耦合系數(shù)，解上式，得出補(bǔ)償電容的取值為：當(dāng)負(fù)載為純電阻，即^=0時(shí)，上式簡(jiǎn)化為：上式與式（212)聯(lián)立，解得：電路工作于諧振狀態(tài)，即式（28)虛部為0，電路阻抗為純電阻，艮P:當(dāng)負(fù)載為純電阻，即義時(shí)，上式簡(jiǎn)化為：可見，采用原邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償方式時(shí)，在電路參數(shù)確定后，需設(shè)定電路的工作頻率， 據(jù)此確定補(bǔ)償電容值。補(bǔ)償電容的計(jì)算公式很復(fù)雜，而且與負(fù)載狀況有關(guān)。電路穩(wěn)定性較 差，不具有靈活性。當(dāng)電路工作于諧振態(tài)時(shí)，電壓增益只與系統(tǒng)頻率有關(guān)，呈雙曲線關(guān)系。 分析原邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償特性。可得如下關(guān)系式：考慮負(fù)載為純電阻，即義=0時(shí)，上式整理為：電路工作于諧振態(tài)，令虛部為0，計(jì)算得出補(bǔ)償電容為：計(jì)算電壓增益如下：令r1=r2=0,整理上式，得出：進(jìn)一步簡(jiǎn)化如下：可見，采用原邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償方式時(shí)，補(bǔ)償電容值與電路參數(shù)、負(fù)載參數(shù)、頻率有關(guān)， 計(jì)算公式更為繁瑣，不具有靈活性，電路穩(wěn)定性差，與串補(bǔ)相似。不同的是，電壓增益只 與電路參數(shù)和頻率相關(guān)，與頻率成雙曲線關(guān)系。即，不論是否存在并聯(lián)補(bǔ)償電容，不論電 路是否處于諧振態(tài)，均不影響系統(tǒng)的電壓增益特性。分析副邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償特性。令/l=r2=0，考慮負(fù)載為純電阻，即尤=0時(shí)，上式整理為：一次側(cè)等效阻抗為：將上式整理為實(shí)部和虛部的形式，如下式所示：此時(shí)，補(bǔ)償電容值的選擇有兩種方式，一是補(bǔ)償副邊，使系統(tǒng)的副邊工作于諧振態(tài)， 二是補(bǔ)償整個(gè)電路，使系統(tǒng)一次側(cè)工作于諧振態(tài)。補(bǔ)償電容為：此時(shí)一次側(cè)阻抗為感性阻抗，如下式所示：系統(tǒng)電壓增益為：考慮原邊諧振，此時(shí)有式（224)的虛部為0,解補(bǔ)償電容方程如下所示：其中/^171。2(^1224)，上述一元二次方程簡(jiǎn)寫為似2+如+ 1 = 0的形式，其中 a0,則方程有正解的條件為：解得込其中込為副邊電路品質(zhì)因數(shù)，yt為原副邊耦合系數(shù)。可以看出，原邊 k諧振只有在副邊電路滿足一定條件下才可能實(shí)現(xiàn)，而且，補(bǔ)償電容值不唯一，導(dǎo)致系統(tǒng)出 現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn)，即頻率分叉現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)予以避免，通常不考慮此類補(bǔ)償方式。 分析副邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償特性。令6=〃2=0，考慮負(fù)載為純電阻，即義,=0，上式整理為實(shí)部與虛部的形式如下：一次側(cè)阻抗為：補(bǔ)償電容值的選擇同樣有兩種方式，考慮副邊諧振時(shí)，此時(shí)C2與式（226)具有相同 的形式，Z,與式（227)具有相同的形式，也即，當(dāng)補(bǔ)償電容使副邊諧振時(shí)，補(bǔ)償電容的串聯(lián)與并聯(lián)對(duì)電路其他部分的影響是一樣的。不同之處只在LC諧振回路內(nèi)部，串聯(lián)時(shí)發(fā) 生電壓諧振，并聯(lián)時(shí)發(fā)生電流諧振。考慮原邊諧振，此時(shí)令式（232)虛部為0,解得C2 =^71 0可知使原邊諧振co k L2的副邊并聯(lián)補(bǔ)償電容值不存在，即在此種補(bǔ)償方式下，原邊電路不可能工作于諧振狀態(tài)。上文討論了單邊補(bǔ)償?shù)乃姆N方式：原邊串聯(lián)、原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)。四種 方式各有特點(diǎn)，整體而言，單邊補(bǔ)償