小型電池無線充電系統(tǒng)設(shè)計

崔杰，于樂，范千一，周思浩，龐景軍，劉金良

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150080）

0 引言

無線電能傳輸技術(shù)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(lǐng)了世界范圍內(nèi)研究無線電能傳輸?shù)牡缆?，使研究機構(gòu)開展了更為實用的無線充電技術(shù)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(tǒng)作為眾多研究項目中的一項。高通公司也經(jīng)過多年的發(fā)展也在無線充電技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。我國在無線電傳輸領(lǐng)域有些差距但追趕速度還是很快的。許多企業(yè)也推出相應(yīng)無線充電產(chǎn)品，許多高校及研究院所也分別對無線電能傳輸技術(shù)的理論及應(yīng)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(shù)研究的不斷深入，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用都取得了顯著成果。在電子產(chǎn)品方面，無線充電手機、電視及電腦等產(chǎn)品相繼推出；在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，解決了體內(nèi)植入設(shè)備電池更換困難問題，可對植入式心臟起搏器、除顫器等設(shè)備進行無線充電；在交通領(lǐng)域，電動汽車無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展有效解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線式充電所帶來的相關(guān)問題。

1 系統(tǒng)組成

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

圖1 感應(yīng)無線能量傳輸結(jié)構(gòu)構(gòu)圖

磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)主要是依賴于磁感應(yīng)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(zhì)，其間的耦合系數(shù)較小，漏感較大，因而諧振補償電路十分關(guān)鍵。即在變壓器原、副邊加入補償結(jié)構(gòu)，以構(gòu)成諧振電路來提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率。

2 串聯(lián)-串聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)

不同于磁路閉合的傳統(tǒng)變壓器，無線充電系統(tǒng)是以空氣為傳輸介質(zhì)，磁路是開放的，會存在較大的漏感。為了能夠提升系統(tǒng)質(zhì)量，提高系統(tǒng)傳輸效率，通常在線圈處串聯(lián)一個諧振補償電容，使初級側(cè)與次級側(cè)的線圈實現(xiàn)阻抗匹配，提升系統(tǒng)的傳輸效率，使系統(tǒng)工作在較好的狀態(tài)。

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

圖2表示的是SS耦合結(jié)構(gòu)的電路圖。Rp、Rs分別為原邊內(nèi)阻與副邊內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jù)KVL有：

系統(tǒng)工作在諧振頻率時，可簡化系統(tǒng)模型：

求解式(2)可得：

在此定義耦合系數(shù)：

結(jié)合式(3)和(4)可得到系統(tǒng)傳輸功率和效率的表達式：

系統(tǒng)效率：

在式(5)、(6)中，定義原、副邊回路的品質(zhì)因數(shù)分別為：

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

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，抑制干擾，消除偏差，本設(shè)計采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)輸出的電壓、電流經(jīng)采樣后，作為輸入信號，與提前設(shè)定好的給穩(wěn)態(tài)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(huán)輸出值，為了防止波動過大影響后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)，需要將得到的電壓外環(huán)輸出值限制幅值，而后用作電流內(nèi)環(huán)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(jīng)PI控制器后輸出至PWM發(fā)生器，產(chǎn)生PWM信號，控制高頻逆變電路的MOSFET占空比。整體系統(tǒng)主要包括：高頻逆變電路、發(fā)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(tǒng)主電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 閉環(huán)系統(tǒng)整體電路圖

經(jīng)比較初級側(cè)逆變電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，選用MOSFET作為高頻逆變電路的開關(guān)管，然后使用IR2110作為開關(guān)管驅(qū)動電路的驅(qū)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(chǎn)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(shù)為7，半徑為12cm，測量得其電感值為15μH。

次級側(cè)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(shù)反向耐壓/正向電流/正向壓降分別為1000V/1A/≤1V。

4 系統(tǒng)仿真與實驗

為驗證系統(tǒng)設(shè)計的諧振補償拓撲結(jié)構(gòu)、控制方案的可行性及準確性，需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行模擬仿真，對比不同的控制策略進行分析，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與進一步改進奠定基礎(chǔ)。根據(jù)前文對系統(tǒng)原理的分析和對諧振拓撲結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)設(shè)計要求，對系統(tǒng)中各部分電路的參數(shù)進行設(shè)計與仿真，以使系統(tǒng)達到預(yù)期的性能。在Simulink平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，仿真參數(shù)如表1所示。

圖4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真驗證

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

閉環(huán)系統(tǒng)通過萬用表測量負載兩端的電壓、電流，并傳輸至閉環(huán)PI控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)定電壓值為4.2V，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)后，將其幅值限定在0.5，用作電流內(nèi)環(huán)的輸入。電流內(nèi)環(huán)經(jīng)PI參數(shù)調(diào)節(jié)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(chǎn)生控制高頻逆變電路的控制信號。同開環(huán)系統(tǒng)相似，閉環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)左側(cè)為初級側(cè)，右側(cè)為次級側(cè)，分別使用兩塊STM32系列單片機來進行控制與數(shù)據(jù)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(cè)PCB板包括12V直流電源輸入接口、12V驅(qū)動電路電源輸入接口、兩個IR2110驅(qū)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(cè)線圈接口）。次級側(cè)PCB板包括諧振補償電路（包括諧振補償電容和原邊側(cè)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(chǔ)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(tǒng)，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(jié)語

本文以小型感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)作為研究目標，設(shè)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(tǒng)諧振線圈采用S-S型諧振補償結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)初級側(cè)與次級側(cè)電路間的能量傳輸，對無線電能傳輸系統(tǒng)的開環(huán)控制策略與閉環(huán)控制策略進行了分析，根據(jù)理論分析，對系統(tǒng)硬件電路與軟件部分進行研究與設(shè)計，最后通過仿真與實物實驗證明系統(tǒng)符合設(shè)計要求。