無線充電器的研究與設(shè)計(jì)

丁成功，梅自強(qiáng)，王升鴻

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610)

隨著用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量、安全性、可靠性、方便性、即時(shí)性、特殊場合、特殊地理環(huán)境等要求的不斷提高，使得接觸式電能傳輸方式越來越不能滿足實(shí)際需要［1］。因此，開發(fā)出一套具有能夠無線傳輸電能、傳輸效率高、設(shè)備體積小、便于攜帶和集成等優(yōu)點(diǎn)的無線電能傳輸系統(tǒng)，將會(huì)成為21世紀(jì)最具魅力的科研方向之一。

1 無線電能傳輸基本原理

無線電能傳輸技術(shù)由物理學(xué)家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照電能傳輸原理的不同，無線電能傳輸可劃分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式 3 種方式［2］。

1.1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸原理

電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)，通常采用非接觸變壓器耦合的方式來進(jìn)行無線電能傳輸。即將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，變壓器原邊繞組流過的是高頻交流電，通過原、副邊繞組的電磁感應(yīng)，將電能傳輸?shù)礁边吚@組給用電設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)了電能在電源和用電設(shè)備之間進(jìn)行無線傳輸［2］。

1.2 電磁共振式無線電能傳輸原理

電磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)，通常采用兩個(gè)相同頻率的諧振體來產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈?？撕退难芯繄F(tuán)隊(duì)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，給一個(gè)直徑60 cm的線圈通電，結(jié)果1.9 m之外連接在另一個(gè)線圈上的60 W燈泡被點(diǎn)亮了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明發(fā)送端和接收端的線圈組成一個(gè)磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端的磁場振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時(shí)，接收端產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)了能量的無線傳輸。其消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬分之一，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米，所以這種傳輸形式適用于中程無線電能傳輸。

1.3 電磁輻射式無線電能傳輸原理

電磁輻射式無線電能傳輸系統(tǒng)，采用微波波段進(jìn)行電能的無線傳輸。由電源發(fā)出電能，通過微波轉(zhuǎn)換器將工頻交流電變換成微波，再通過發(fā)射站的微波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛嫖⒉ń邮照?，接收到的微波通過轉(zhuǎn)換器將微波變換成工頻交流電，供用戶使用。微波是波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波，由于頻率較高，能順利通過電離層而不反射，宇宙空間對(duì)微波傳輸十分理想，幾乎沒有能量損耗，通過大氣層時(shí)的損耗約為2%，因此電磁輻射式無線電能傳輸系統(tǒng)具有更高的電能傳輸效率，適合遠(yuǎn)距離無線電能傳輸。

2 電磁感應(yīng)式無線充電器整體設(shè)計(jì)

典型的電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示［3］。

圖1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)原理框圖

電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)主要由能量變換部分、能量發(fā)射部分和能量接收部分組成。輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^高頻逆變器進(jìn)行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級(jí)線圈，與次級(jí)線圈耦合，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，然后通過高頻整流濾波后為負(fù)載供電。本文利用電磁感應(yīng)式電能傳輸原理設(shè)計(jì)的無線充電器主體硬件電路如圖2所示［4－5］。

圖2 無線充電器主體硬件電路圖

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路原理如圖3所示。電路主要由振蕩信號(hào)發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成。利用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為400 kHz的信號(hào)發(fā)生器，為功放電路提供激勵(lì)信號(hào);諧振功率放大器由LC并聯(lián)諧振回路和開關(guān)管Q1構(gòu)成。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí)，功率放大器發(fā)生諧振，此時(shí)線圈中的電壓和電流達(dá)到最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場［6］。

2.2 接收電路設(shè)計(jì)

圖3 發(fā)射電路

接收電路原理如圖4所示。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射線圈的諧振頻率相同時(shí)，感應(yīng)電壓達(dá)到最大值。當(dāng)發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)具有最好的能量傳輸效率［7］。

圖4 接收電路

2.3 充電電路設(shè)計(jì)

本文利用電源管理芯片3717設(shè)計(jì)了具有涓流、恒流、過充電和浮充電4種工作模式的充電電路，充電電路原理如圖5所示。

圖5 充電電路原理圖

電路處于恒流充電模式時(shí)，充電電流的大小由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測電阻來設(shè)置;電路處于過充電和浮充電模式時(shí)，由外部電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置充電電壓。當(dāng)輸入電壓過低時(shí)充電電路進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓大于啟動(dòng)電壓6 V時(shí)，充電電路開始對(duì)蓄電池充電。分壓電阻R6和R7將蓄電池端的電壓反饋到芯片的FB管腳，芯片根據(jù)FB管腳反饋回來的電壓值來確定進(jìn)入何種充電模式。當(dāng)FB管腳的電壓接近3.6 V時(shí)，芯片工作于過充電狀態(tài)。如果蓄電池電壓低于所設(shè)置的過充電電壓的81.8%時(shí)，充電電路自動(dòng)進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的13%。當(dāng)蓄電池電壓大于所設(shè)置的過充電電壓的81.8%時(shí)，充電電路進(jìn)入恒流充電模式。本文設(shè)計(jì)的充電電路設(shè)置的充電壓為5 V，可以為生活中常用的大多數(shù)電子設(shè)備進(jìn)行充電［8］。

3 測試結(jié)果

輸入電壓為220 V/50 Hz，當(dāng)諧振頻率為510 kHz時(shí)，測試得到的充電器輸出性能參數(shù)如表1所示。

表1 充電器輸出性能參數(shù)

4 結(jié)論

本文利用電磁感應(yīng)式無線電能傳輸原理設(shè)計(jì)了一種無線充電器。通過測試表明，該充電器在短距離內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)電能的高效率傳輸。而且該充電器的充電電路與文獻(xiàn)中給出的電路相比，具有比較大的優(yōu)越性和先進(jìn)性。后續(xù)需要在如何對(duì)電能加密和解密方面以及基于無線充放電技術(shù)的電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)的互動(dòng)技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，以期能夠在技術(shù)上創(chuàng)造新的突破。

［1］肖志堅(jiān)，韓震宇，李紹卓.關(guān)于便攜式電子設(shè)備新型無線充電系統(tǒng)的研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26(12):114 －116.

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