小型電池無線充電系統設計

崔杰，于樂，范千一，周思浩，龐景軍，劉金良

（哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱，150080）

0 引言

無線電能傳輸技術的猜想是由尼古拉·特斯拉率先提出。在2007年，由美國麻省理工的研究團隊通過實驗首次證實，引領了世界范圍內研究無線電能傳輸的道路，使研究機構開展了更為實用的無線充電技術的研究。2009年美國橡樹嶺國家實驗室就將電動汽車的電池無線傳輸系統作為眾多研究項目中的一項。高通公司也經過多年的發展也在無線充電技術領域取得了重大突破。我國在無線電傳輸領域有些差距但追趕速度還是很快的。許多企業也推出相應無線充電產品，許多高校及研究院所也分別對無線電能傳輸技術的理論及應用進行了研究，并也有許多重要突破。

近十幾年來，隨著對無線電能傳輸技術研究的不斷深入，在許多領域的應用都取得了顯著成果。在電子產品方面，無線充電手機、電視及電腦等產品相繼推出；在醫學應用領域，解決了體內植入設備電池更換困難問題，可對植入式心臟起搏器、除顫器等設備進行無線充電；在交通領域，電動汽車無線電能傳輸技術的發展有效解決了傳統導線式充電所帶來的相關問題。

1 系統組成

感應無線充電系統的整體結構組成如圖1所示。其結構由三部分組成。第一部分為初級能量變換機構，將電源直流電壓再通過高頻逆變電路產生高頻交流電壓；第二部分是能量傳輸機構，通過交變磁場將能量從發射線圈傳遞到接收線圈；第三部分為次級能量拾取機構，主要功能是將接收到的交流電通過整流、濾波、穩壓轉化為直流電給負載供電。而其中，磁感應耦合式無線電能傳輸系統最為重要。

圖1 感應無線能量傳輸結構構圖

磁感應耦合式無線電能傳輸系統主要是依賴于磁感應及磁耦合，其原邊線圈與副邊線圈是分離的，由于傳輸線圈是以空氣為介質，其間的耦合系數較小，漏感較大，因而諧振補償電路十分關鍵。即在變壓器原、副邊加入補償結構，以構成諧振電路來提高系統的傳輸功率和效率。

2 串聯-串聯耦合結構

不同于磁路閉合的傳統變壓器，無線充電系統是以空氣為傳輸介質，磁路是開放的，會存在較大的漏感。為了能夠提升系統質量，提高系統傳輸效率，通常在線圈處串聯一個諧振補償電容，使初級側與次級側的線圈實現阻抗匹配，提升系統的傳輸效率，使系統工作在較好的狀態。

本文設計的目標是小功率無線充電系統，SP的耦合結構不適合負載阻值較小的情況。負載較小時，系統效率較低。因此本文選用SS耦合結構作為諧振結構，如圖2所示。

圖2表示的是SS耦合結構的電路圖。Rp、Rs分別為原邊內阻與副邊內阻。Cp、Cs分別為原邊諧振電容與副邊諧振電容，I1、I2分別為原邊與副邊電流有效值，Lp、Ls分別為原邊線圈與副邊線圈自感值，M為原副邊線圈間的互感值，RL為待充電負載。

圖2 SS耦合結構示意圖

其中原、副邊線圈的諧振電容分別為Cp、Cs，Up為高頻逆變電路輸出電壓有效值，根據KVL有：

系統工作在諧振頻率時，可簡化系統模型：

求解式(2)可得：

在此定義耦合系數：

結合式(3)和(4)可得到系統傳輸功率和效率的表達式：

系統效率：

在式(5)、(6)中，定義原、副邊回路的品質因數分別為：

根據式(5)和式(6)可知，在恒負載時，隨著耦合系數k的增加，傳輸功率先增大，而后慢慢減小。當系統處于諧振狀態時S-S型諧振補償結構中，諧振補償電容的值只決定于系統的諧振頻率和原邊傳輸線圈的電感值，與負載端的參數值無關，因此S-S型諧振補償系統更符合要求。

3 系統總體結構

為系統輸出穩定，抑制干擾，消除偏差，本設計采用閉環結構。將系統輸出的電壓、電流經采樣后，作為輸入信號，與提前設定好的給穩態值相比后，得到電壓誤差值，將此誤差輸入至PI控制器，得到電壓外環輸出值，為了防止波動過大影響后續的系統調節，需要將得到的電壓外環輸出值限制幅值，而后用作電流內環的給定值，給定值與負載端采樣的電流信號再作差，得到電流誤差信號，經PI控制器后輸出至PWM發生器，產生PWM信號，控制高頻逆變電路的MOSFET占空比。整體系統主要包括：高頻逆變電路、發射和接收端的耦合線圈、整流濾波電路及控制電路四部分。系統主電路設計如圖3所示。

圖3 閉環系統整體電路圖

經比較初級側逆變電路采用全橋逆變結構，選用MOSFET作為高頻逆變電路的開關管，然后使用IR2110作為開關管驅動電路的驅動芯片將控制電路信號進行放大。

耦合線圈采用圓柱式線圈，因為其產生的磁場強度好且分布均勻，有很好的方向性和好的傳輸距離，傳輸效率比較高。本文采用的是截面積為2.5mm2無氧銅線繞制的圓柱形密繞螺線圈，其匝數為7，半徑為12cm，測量得其電感值為15μH。

次級側整流選用單相橋式整流電路，考慮2～3倍的裕量，選擇肖特基整流二極管1N4007。其參數反向耐壓/正向電流/正向壓降分別為1000V/1A/≤1V。

4 系統仿真與實驗

為驗證系統設計的諧振補償拓撲結構、控制方案的可行性及準確性，需要對系統結構進行模擬仿真，對比不同的控制策略進行分析，為系統的穩定運行與進一步改進奠定基礎。根據前文對系統原理的分析和對諧振拓撲結構的分析，根據設計要求，對系統中各部分電路的參數進行設計與仿真，以使系統達到預期的性能。在Simulink平臺上搭建系統仿真模型如圖4所示，仿真參數如表1所示。

圖4 雙閉環系統仿真驗證

表1 仿真參數設置

閉環系統通過萬用表測量負載兩端的電壓、電流，并傳輸至閉環PI控制調節系統，設定電壓值為4.2V，經過PI環節后，將其幅值限定在0.5，用作電流內環的輸入。電流內環經PI參數調節后，限制其最低值為0.1，最高值為0.9，以達到200kHz的頻率，然后與三角載波進行比較，高于三角載波時輸出高電平，低于三角載波時輸出為低電平，由此產生控制高頻逆變電路的控制信號。同開環系統相似，閉環系統也在0.05s時斷開Breaker負載，其電壓、電流波形如圖5所示。

圖5 輸出電壓電流波形圖

實驗平臺如圖6所示，系統左側為初級側，右側為次級側，分別使用兩塊STM32系列單片機來進行控制與數據的傳輸、處理，使用兩塊NRF24L01模塊用作無線通訊傳輸實時電壓信號，兩線圈間距100mm，使用利茲線纏繞。初級側PCB板包括12V直流電源輸入接口、12V驅動電路電源輸入接口、兩個IR2110驅動電路、四個MOSFET組成的高頻逆變電路、諧振補償電路（包括諧振補償電容和原邊側線圈接口）。次級側PCB板包括諧振補償電路（包括諧振補償電容和原邊側線圈接口）、四個二級管組成的不可控整流電路、電流采樣電路、電壓采樣電路以及負載。

圖6 硬件實驗平臺

在仿真基礎上搭建實物電路進行實驗中我們可以測得，在無線電能傳輸系統，當線圈間距減小時，其輸出電壓有效增加，進而其效率有顯著提高，能更好的傳輸電能。

5 結語

本文以小型感應式無線充電系統作為研究目標，設計了電池無線充電裝置，并對其進行仿真分析與實驗驗證。系統諧振線圈采用S-S型諧振補償結構，實現初級側與次級側電路間的能量傳輸，對無線電能傳輸系統的開環控制策略與閉環控制策略進行了分析，根據理論分析，對系統硬件電路與軟件部分進行研究與設計，最后通過仿真與實物實驗證明系統符合設計要求。