24W無線充電系統主電路設計——基于電磁諧振技術

廈門新頁科技有限公司 林桂江

0 引言

近年來，無線充電技術得到了快速發展，主流的無線供電方案主要有電磁感應、電磁諧振、微波和電場耦合等技術方式。電磁感應是最早的技術方案，可以實現高達100kW的大電力傳輸，但是充電距離有限，產品一般為1cm以內，并且線圈的對準要求高，不能發生偏移；電磁諧振是利用發射和接收線圈在相同頻率下發生共振時電磁耦合特性，實現能量高效遠距離的傳輸，充電距離可達數米；微波無線電能傳輸主要是將能量以微波或者激光的形式遠程傳輸，特點是距離遠，達數千米，但是效率和功率都非常低；電場耦合是利用發送與接收端設置的電極的電場來完成能量的無線傳輸，優點是位置自由，缺點是實現高壓電場的成本高、體積大，傳輸距離相對較短[1]。

在以上技術基礎上目前各大機構和廠商都積極推進標準的布局和制定，目前在小功率領域，市場主要有三大無線充電標準，分別為Qi, PMA和A4WP，主要應用于可穿戴電子產品、手機和平板電腦等，大功率領域的無線充電主要應用于電動汽車

圖1 系統整體示意圖

1 系統設計

1.1 總圖

如圖1所示是系統示意圖，輸入端為適配器輸出，然后經過全橋高頻逆變，諧振部分由電感線圈和電容串聯組成，能量的無線傳輸是由高頻的交變電磁場完成。接收端經過高頻整流、濾波和降壓電壓變換后對可對蓄電池充電。

圖2 主電路等效電路

圖2 所示為主電路等效電路，電感線圈采用耦合線圈模型，無線充電技術的諧振補償的基本原理是在發射端和接收端串聯電容（發射端和接受端可以分別采用串聯或并聯，本系統采用上，相關標準仍不完善，仍然在積極推薦和改善中，目前主要有美國汽車工程師協會的J2954以及中國中興、比亞迪等起草的SZDB/Z 150—2015《電動汽車無線充電系統》[2][3]。

本系統主要針對中功率無線供電進行了設計，主要的應用場合有機器人、小功率電器等，主要特性是24W電能傳輸，81%效率，2cm傳輸距離，兼容平衡了功率、效率、體積、成本、可靠性等多方面因素。

串串的組合方式）。

從該電路中得出：

圖3 發射端主電路電路圖

圖4 接收端主電路電路圖

經推導系統效率：

則效率最大時，需要︱ZM+ZS+RL︱最小，此時

因此，若要效率達到最大，則接收端需要工作在諧振點，同理得，若需要發射端的功率發射最大，則發射端需要同樣工作在諧振點。這就是低頻下電磁諧振的基本原理。

1.2 發射端

如圖3所示是系統發送端主電路，驅動芯片采用IR公司的IR2181，其內部集成了自舉電路完成對半橋的驅動，其驅動電流可達1.8A，上升/下降時間只有40/20ns，開關管采用IR公司的IRF7815，其導通電阻為43mΩ，門極電容只有25nC，配合圖中的RC吸收電路和母線寄生電感的吸收電容保證了在高頻下滿負載或短期過負載運行的電路可靠性。諧振電容在電路中對容值的變化比較敏感，所以采用CoG電容，以滿足在溫度變化時的電路性能。諧振電感采用50uH的平面電感，電感需要采用低磁阻材料作為其磁屏蔽層，減少磁力線的外圍輻射。

1.3 接收端

如圖4所示是系統接收端主電路，為防止母線電壓過高，在電路中設置了兩個高壓抑制管，在經過高頻整流和濾波后，采用TI的LMR46002電源芯片，其電路形式為BUCK降壓電路，工作頻率可達2M，可使得電路體積非常小，平衡電磁干擾問題，電路中使其工作在500KHz。同時，當負載會出現突變情況時，FB反饋腳可能調換成PWM波形式反饋電壓信號，減緩其突變斜率。

2 電路仿真波形

圖5 系統等效電路仿真電路

如圖5所示是電路等效圖在的仿真電路，實際電路的逆變輸出由圖中的電源代替，R2、R3為線路和線圈等效電阻，松耦合線圈由一組互感線圈等效，實際松耦合線圈的耦合系數依據距離遠近在0.2-0.5間變化，圖中設置為0.22。負載由R1模擬，大小為5Ω，此時模擬重載情況。

圖6 是電路在不同頻率下負載上的電壓波形，在此圖中，有兩點需要注意：一是在諧振點（104kHz）附近，出現了頻率分離現象，本該是電壓最高點，但是在重載是易出現波谷，在控制時應注意此現象[4]；二是在諧振點附近斜率陡，系統穩定性差，一般在中小功率諧振技術中，會在功率和控制難易上取平衡，所設計的系統工作在125kHz—200kHz之間。

圖7 f=130kHz時，電感電容電壓大小

圖7 所示為發射端和接收端的電感電容電壓，其中L1C1為發射端電感電容，L2C2為接收端電感電容。由圖可以看出，在該頻率下，電感和電容都發生了諧振，且原邊線圈和電容的最大電壓為輸入電壓的5-6倍，該電壓應力在可接受范圍內。

3 實驗波形

圖8 實驗平臺

圖9 發射端的電感電容波形

圖8 所示為實驗平臺，圖中演示的是滿載運行，直流電源顯示輸入為35.5V，0.9A，電子負載儀顯示輸出為24.13V，1.02A輸出，充電距離即線圈間的距離為2cm，此時系統的效率為77%。圖9為發送端線圈和電容上的電壓波形，可以看出兩者發生了諧振，此時線圈的電壓高達66V。在實際運行中發現，除了開關管等發熱外，線圈的發熱也是需要注意的地方，因此在繞制線圈時需要采用l iz線來減少高頻下肌膚效應，減小電阻。

4 總結

經測量，本系統可以穩定可靠的運行，同時線圈的錯位允許20%，效率下降不會超過10%；限制系統距離提升的關鍵在于負載解調的通信方式在距離變大后，靈敏度和通信范圍（由線圈電壓/電流反映）之間的平衡不好掌握，在kW級別的通信中，會采取藍牙等通信方式。[5][6]

[1]祝毓.國內外無線充電技術專利分析[J].電力與能源,2015,36(1).

[2]王振亞,王雪梅,張波,丘東元.電動汽車無線充電技術的研究進展[J].電源學報,2014(3).

[3]Jaegue Shin,Seungyong Shin,Yangsu Kim,Seungyoung Ahn,Seokhwan Lee,Guho Jung,Seong-Jeub Jeon,“ Design and implementation of shaped Magnetic-Resonance-Based Wireless power transfer system for Roadway-Powered Moving electric vehicles”[J].IEEE transaction on industrial electronics,2014,161(3).

[4]任曉峰.電動汽車無線充電系統的研制及性能優化[D].哈爾濱工業大學,2014(6).

[5]陳文浩.RFID低頻讀寫器的研究與實現[D].大連海事大學,2008(3).

[6]C.Zhao,Z.Wang,J.Du,J.Wu,S.Zong,X.He,“Active Resonance Wireless Power Transfer System Using Phase Shift Control Strategy”[C].Proc.of IEEE Applied Power Electronics Conference and xposition(APEC),2014.