《电子技术应用》

一种感应式无线充电系统的研究与分析

2015年电子技术应用第9期 作者: 陈晓朴1,邹 兴2,黄胜明1,王建华3
2015/11/16 16:42:00

  摘  要: 在分析感应式无线电能传输变换器工作原理的基础上,设计一款用于便携式电子设备的无线充电系统,能够自动识别充电目标,实现输出过压保护。在系统接收端与发射端之间建立信号与能量一体化传输方式,相较于独立传输方式,能够提高系统的功率密度并且降低硬件成本。通过实验分析接收端线圈与发射端线圈的距离及负载变化对传输效率的影响,验证了理论分析的可行性。

  关键词: 感应式;无线电能传输;传输效率;谐振

0引言

  随着电子信息产业的快速发展,便携式电子产品越来越普及。对用户而言,传统的有线充电器携带及充电都很不方便。采用无线电能传输方式,无需将导体裸露在外,不会引起机械磨损和接触松动,提高了充电器的寿命和安全性能。无线电能传输所具有的良好安全性、可靠性和方便性使此项技术在便携式电子设备充电领域拥有良好的应用前景[1-2]。

  本文详尽介绍一款感应式便携式电子设备无线充电系统的设计及分析过程。该无线充电系统分为两部份:发射端和接收端。发射端采用全桥逆变电路,把直流供电电压转换为高频脉冲电压后提供给谐振单元。在变压器的原副边分别串联补偿用的谐振电容,使变换器工作在谐振频率点附近,极大地提高了能量传输效率。此外,为了提高系统的功率密度及降低硬件成本,在发射端与接收端之间建立信号与能量一体化传输方式;该充电系统能够自动识别放置于发射板的充电目标,并且在接收端设计电压检测电路,实现过压保护功能。

1 感应式无线电能传输原理及谐振单元模型

  1.1 感应式无线充电原理

  感应式无线充电是利用电源侧线圈产生交变磁场,耦合到负载侧线圈,从而将电能传递给负载侧。感应式无线电能传输采用近场传输,在近场区只有电磁能量相互转换[3],在某个确定频率下,线圈工作在谐振频率点,因为原副边的谐振频率相同,所以能高效地传输能量。

  感应式谐振无线电能传输技术就是利用磁场耦合和谐振技术来实现电能高效率无线传输。其理论基础是耦合模式理论,其主要思想是系统中具有相同谐振频率的物体之间通过磁场耦合从而进行高效率能量交换,而偏离谐振频率的物体之间相互作用则较弱[4]。

  1.2 谐振单元模型


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  图1所示是一种串联补偿谐振变换器拓扑结构,即在变压器原、副边分别串联谐振电容C1和C2,通过控制芯片控制全桥逆变电路的输出脉冲频率,使变换器工作在谐振频率点附近,从而实现电能的高效传输。

  该系统发射端与接收端在电气和空间上完全独立。发射端直流输入电压通过全桥逆变电路,输出一个高频脉冲电压,驱动谐振线圈工作。设由C1与Lp组成的谐振发射电路的自谐振频率为fp,全桥逆变电路输出脉冲电压频率为fk,当高频电流注入发射谐振电路后,发射端线圈就产生了高频交变磁场。由文献[5]可知,在接收端负载相同时,fk与fp越接近,线圈电感内的谐振电流就会越大。电感Ls与电容C2组成接收谐振电路,自谐振频率为fs。当fs=fp时,接收端与发射端的耦合系数最大。若已知耦合电路电感值为L,电容值为C,则可知耦合谐振频率f为:

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  为了便于分析和计算,可建立无线能量传输的等效电路模型如图2所示,其中Rs和Rp分别为发射与接收线圈回路的高频内阻,Lp和Ls分别为其自感,Cp与Cs分别为发射端和接收端谐振线圈回路中的串联谐振电容,Up为发射端输入电压,R为负载电阻,M为线圈互感。

  设系统谐振角频率,发射和接收线圈的自阻抗分别为Zp和Zs,则:

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  当发射端与接收端回路组成的谐振系统处于全谐振状态时,即两线圈回路均处于谐振状态,由电路理论可知两线圈回路均为纯阻性回路,电抗均为0。则发射端线圈回路与接收端线圈回路等效阻抗Zpp和Zss分别为:

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  式中,Zsr、Zpr分别为接收端与发射端的反射阻抗。

  定义线圈传输效率是接收端负载上的功率与发射端输入功率之比,当系统处于全谐振时,则由上述公式推导可得:

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2 谐振单元线圈与电容的选择

  为了适应当今电子设备越来越轻薄的发展趋势,选择能形成垂直于充电系统分布磁场的线圈结构比较合适。在线圈结构选择上,选择能覆盖整个充电系统的单一螺旋线圈结构。这种结构的线圈最主要的优点是:线圈面积大,能覆盖整个充电系统,当电子设备在充电设备上方移动时,副边线圈能高效接收原边线圈传来的磁通量;此外此种线圈结构简单且不需要复杂的控制电路。

  绕线使用多股绞合漆包线,在绕制时,每匝沿径向由内向外扩展,绕成多圈结构。为了保证两线圈具有相同自谐振频率,该充电平台发射端与接收端都选用电感值为12.5 ?滋H的圆形螺旋结构线圈。把发射端与接收端的谐振频率都定为125 kHz,则由式(1)可计算得出发射端与接收端串联的谐振电容容值为13 F。由于该平台用于小功率电子设备的充电,输出电压小于20 V,为了留有一定裕量,这里选择耐压值为50 V的贴片电容。

3 通信模块

  对于电磁感应式无线充电系统而言,将副边工作信息传输给原边进行反馈控制的方式有两种:独立式和能量信号一体化传输方式。前者是在原副边系统中增加信号发射和接收模块,这样不仅增加了设备的体积和成本,而且使得系统变得复杂。能量信号一体化传输方式是将能量和信号经过同一个磁路,信号经过调制后加载到主功率波形中,再经过滤波得到信号后进行解调,最后分析信号,图3为其工作示意图。

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  为使充电系统自动识别放置于发射板上的充电目标,该充电系统在接收端与发射端之间建立了数据信号传输机制。具体原理框图如图4所示,工作步骤为:发射端供电控制芯片每秒发出4次短暂脉宽调制(PWM)信号至全桥逆变模块,发射线圈发送载波到接收线圈上,再由接收端控制芯片控制信号调制电路来进行信号反馈,接收端的反馈信号经过发射端的信号取样电路和编码解析电路后,由发射端控制芯片读取编码,当读取到正确的编码时,说明检测到充电目标,从而发射端谐振电路发射出连续电磁波能量进行送电。若发射板上不放置充电物体,则发射端接收不到反馈信号,发射端控制芯片不输出全桥逆变器的驱动信号,使得发射端处于待机状态。

  此外,该充电平台的接收端还设计了电压检测电路。电压检测电路的工作过程为:接收端整流输出后的电压经过滤波电路后由电压检测电路将分压电压传输至接收端控制芯片。经接收端控制芯片判断分压电压是否在正常范围内,若分压电压在正常范围内,则充电平台正常工作;若分压电压过大,则接收端控制芯片控制信号调制电路给发射端控制芯片传输反馈信号,发射端控制芯片接收到相应的编码后停止向接收端供电,从而达到过压保护的功能。

4 实验与分析

  根据理论分析,制作了一台原理样机,输入15 V~42 V直流电压,全桥逆变电路使用2片型号为SIZ904DT的双N沟道MOS管(漏源耐压值为30 V),发射端与接收端采用电感值为12.5 ?滋H的圆形螺旋线圈,谐振电容值为13 F,接收端采用MP38892使输出电压稳定在12 V。发射端采用某型控制芯片输出高频PWM波形驱动全桥逆变电路,读取反馈信号;接收端采用某型控制芯片控制稳压芯片MP38892工作,调制反馈信号。

  4.1 波形分析

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  实验波形如图5所示,图5(a)为发射端全桥逆变模块的脉冲电压波形,如图1所示的全桥逆变电路有两组桥臂,由MOS管S1和S4组成了第一组桥臂,另两个MOS管组成第二组桥臂。由其中u14、u23分别为图1中第一组桥臂与第二组桥臂的导通电压波形;图5(b)up、us分别为发射端和接收端线圈的电压波形,可以看到两线圈工作频率相同,符合谐振工作原理;图5(c)ui、uo分别为发射端输入电压与接收端电压波形,由图可以得出输出稳定在12 V;图5(d)为发射端与接收端之间的信号传输波形图。

  4.2 接收线圈移动时效率分析

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  当负载为12 W时,图6(a)为发射线圈与接收线圈轴向距离与电能传输效率之间的关系曲线图;图6(b)所示为轴向距离为3 mm时,两线圈径向距离与效率之间的关系曲线图。

  由图6(a)可以看出,当轴向距离为0时,最高传输效率能达到80.2%;随着轴向距离的逐渐增大,传输效率不断减小,当轴向距离达到15 mm时效率仅为34.5%。由图6(b)可知,当轴向距离固定,两线圈之间的径向距离从0 mm增加到15 mm时,传输效率从76.25%下降至51.6%。

  由式(8)可知,传输效率与两线圈的互感M有关,其互感计算公式为:

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  式中,0为真空磁导率,r为线圈半径,n为线圈匝数,D为传输距离。

  由此可知随着传输距离的增加,两线圈的互感不断减小,导致传输效率?浊减小。

  4.3 输出负载变化时传输效率分析

  当两线圈轴向距离为3 mm时,由图7可知随着功率负载的增加,系统效率逐渐增加,功率负载从4.8 W增加到20 W时,传输效率从47.6%上升到80%。

5 结论

  本设计选择合适的线圈与电容,使发射线圈与接收线圈同时工作在谐振状态,达到传输效率最佳状态;采用能量与信号一体化传输方式,既实现了充电目标自动识别和输出过压保护的功能,又提高了功率密度,降低了硬件成本。最后研制了一台样机,并通过实验分析线圈距离和输出负载对系统传输效率的影响,验证了理论设计的可行性。此外,无线通信技术在该充电系统中的应用,使其具有更大的市场应用前景。

参考文献

  [1] 赵争鸣,张艺明,陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报,2013,33(3):1-13.

  [2] 孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京:北京邮电大学,2012.

  [3] 刘宿城,周雒维.近场磁谐振耦合能量传输系统的建模与分析[J].电源学报,2011(1):50-55.

  [4] KARALIS A,JOANNOPOULOS J D,SOLJAIM.Efficient

  wire-less non-radiative mid-range energy transfer[J].Annalsof Physics,2008(323):34-48.

  [5] 傅问珍,张波,丘东元,等.自谐振线圈耦合式电能无线

  传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报,2009,29(18):21-26.


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