鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、得分： 電力電子技術(shù) 大作業(yè) 鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：同組人：中國(guó)石油大學(xué)（華東）日期：2014年12月12日摘要無(wú)線充電器運(yùn)用了一種新型的能量傳輸技術(shù)無(wú)線供電技術(shù)。該技術(shù)使充電器擺脫了線路的限制，實(shí)現(xiàn)電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢(shì)。在如今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無(wú)線充電器顯示出了廣闊的發(fā)展前景。本文設(shè)計(jì)了一種利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的無(wú)線充電裝置,重點(diǎn)論述了實(shí)現(xiàn)此裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和磁耦合方案，及對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件耦合變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。關(guān)鍵詞：無(wú)線充電技術(shù)；磁耦合；電磁感應(yīng)；充電器；逆變整流AbstractWireles

2、s charger using a new kind of energy transmission technology, wireless technology. The limitation of the technology makes the charger out of line, electrical appliances and power supply complete separation. In security, flexibility, etc, shows a better advantage than traditional charger. In todays r

3、apid development of science and technology today, wireless charger shows the broad prospects for development. This paper designs a wireless charging device using the electromagnetic induction principle implementation, mainly discusses the structure of this device system and magnetic coupling scheme,

4、 and the key components of radio transmission system, the structure of the coupling transformer are analyzed in detail.Key words: wireless charging technology;magnetic coupling;Electromagnetic induction;The Charger;Inverter rectifier目 錄第1章 引言41.1課題設(shè)計(jì)的背景和意義41.2無(wú)線充電器在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀4國(guó)外發(fā)展及現(xiàn)狀5國(guó)內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀5第2章 無(wú)線充電系

5、統(tǒng)主要原理分析52.1 無(wú)線充電技術(shù)的原理5電磁感應(yīng)5感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)62.2無(wú)線供電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式7近場(chǎng)耦合式7磁場(chǎng)共振式7微波輻射式82.3 無(wú)線充電電路模型82.4 耦合性能分析及功率補(bǔ)償82.5 本章小結(jié)8第3章 無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1 電能發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)93.1.1 整流濾波電路93.1.2 電壓型全橋逆變電路103.1.3 信號(hào)檢測(cè)與保護(hù)電路123.2 電能接收模塊電路設(shè)計(jì)133.2.1 整流與穩(wěn)壓電路133.2.2 接收端鋰電池充電電路143.3 控制電路設(shè)計(jì)143.4 本章小結(jié)15第4章 總結(jié)與展望16參考文獻(xiàn)17第1章 引言1.1課題設(shè)計(jì)的背景和意義 現(xiàn)今幾乎所有的電子設(shè)備，如

6、手機(jī)，MP3和筆記本電腦等進(jìn)行充電的方式主要是一端連接交流電源,另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池的有線電能傳輸。這種方式有很多不利的地方,首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口,另外不小心也可能帶來(lái)觸電的危險(xiǎn)。因此,非接觸式感應(yīng)充電器在上個(gè)世紀(jì)末期誕生,憑借其攜帶方便、成本低、無(wú)需布線等優(yōu)勢(shì)迅速受到各界關(guān)注。目前無(wú)線充電的技術(shù)已經(jīng)開始在手機(jī)中運(yùn)用。由于無(wú)線傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，設(shè)備的耗能就越高。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率的無(wú)線電磁轉(zhuǎn)換，設(shè)備的耗能較高。所以, 實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的高效率能量傳輸,是無(wú)線充電器普及的首要問(wèn)題。另一方面要解決的問(wèn)題是建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使不同型號(hào)的無(wú)線充電器與不同的電子產(chǎn)品之間能匹配,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)

7、線充電。 我們的生活幾乎每天都會(huì)有這樣一幕幕的場(chǎng)景：拉出一根數(shù)據(jù)線，連接手機(jī)和插座為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3 播放器等充電，完美音質(zhì)的音響、超清晰超大屏幕的液晶屏電視背后依靠一根長(zhǎng)長(zhǎng)的電源線面對(duì)如此多的“電源線”，有沒(méi)有想過(guò)，有一天這些線全部消失，被一種看不見的傳輸工具所替代？那樣我們就不用再為各種纏繞在一起的電線影響美好的生活。其實(shí)這樣的生活離我們并不遙遠(yuǎn)。無(wú)線充電技術(shù)在 2007 年就已獲得了 20 項(xiàng)專利，多種設(shè)備可以使用一臺(tái)充電器1。手機(jī)、電腦、音樂(lè)播放器、電動(dòng)工具和其他的用電設(shè)備的“剪不斷理還亂”的有線充電器將會(huì)離我們遠(yuǎn)去。通過(guò)使用線圈之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)，神奇的傳輸電能，電磁耦合技術(shù)將會(huì)成

8、為連接充電基站和設(shè)備的橋梁。在當(dāng)前的大部分充電器，都通過(guò)金屬電線直接接觸的方式，給設(shè)備內(nèi)置電池充電的情況下，無(wú)線充電器顯示了它自己先天的優(yōu)越性。無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于便捷性和通用性2。目前缺點(diǎn)就是效率低。現(xiàn)今對(duì)便攜式電子產(chǎn)品進(jìn)行充電用的數(shù)據(jù)線連接器不僅僅可以進(jìn)行電能的傳輸，同時(shí)還能把音頻和視頻文件通過(guò)USB 接口同步傳送到設(shè)備上。無(wú)線充電技術(shù)還是會(huì)給 WiFi 和電池技術(shù)帶來(lái)進(jìn)步的。另外，通過(guò)采用無(wú)線充電技術(shù)，移動(dòng)設(shè)備公共充電站將會(huì)有可能成為現(xiàn)實(shí)。 近年來(lái)，隨著新方法新材料的應(yīng)用，無(wú)線充電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。依靠線圈之間的電磁感應(yīng)的無(wú)線充電方式，工作距離短，被充電終端需要放置在充電座上。需要充電時(shí)，發(fā)射

9、器和接收芯片會(huì)同時(shí)自動(dòng)開始工作，充滿電時(shí)，同時(shí)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。 無(wú)線充電設(shè)備的效能接收在70%左右，和有線充電設(shè)備相當(dāng)，但是它應(yīng)具備充滿自動(dòng)關(guān)閉的功能，避免不必要的能耗。1.2無(wú)線充電器在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 無(wú)線充電已從夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，從概念變成商用產(chǎn)品。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式變壓器的“E”型鐵心繞線后接上市電就可以感應(yīng)傳電，但距離略為增加后感應(yīng)效果就會(huì)減弱甚至消失3。這是因?yàn)樵谑须?0Hz下，電磁波的傳遞會(huì)隨著距離增加而出現(xiàn)能量的快速衰退。隨著電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，各廠家競(jìng)爭(zhēng)激烈，紛紛在軟硬件上下功夫。然而不同于產(chǎn)品硬件軟件升級(jí)，無(wú)線充電技術(shù)在產(chǎn)品的功能層面求異，讓人耳目一新，很具有賣點(diǎn)，對(duì)消費(fèi)者

10、也很有吸引力。但是為了充分發(fā)揮無(wú)線充電的便利性，在較遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)充電則更具有賣點(diǎn)。目前的無(wú)線充電技術(shù)在2.54厘米范圍之內(nèi)的近磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電。因?yàn)闊o(wú)線電能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，功率的耗損也就會(huì)越大，能量傳輸效率就會(huì)越低，且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的耗能較高。對(duì)于“大功率的無(wú)線充電設(shè)備的電磁輻射會(huì)對(duì)生物造成很多不利的因素。”的說(shuō)法，相關(guān)專家已給出解釋：大功率無(wú)線充電的距離限制在5米以內(nèi)，不會(huì)太遠(yuǎn)，且功率不會(huì)達(dá)到對(duì)人體輻射造成危害的范圍。 國(guó)外發(fā)展及現(xiàn)狀 最初的無(wú)線充電器由多個(gè)密集的小型線圈陣列組成，通電后產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，將能量傳送給裝有接收線圈的電子設(shè)備，進(jìn)行充電，但這種充電器傳輸效率較低、成本較高且需購(gòu)買

11、套件，又不能對(duì)手機(jī)使用的大容量鋰離子電池進(jìn)行有效充電。2007年6月麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了利用電磁感應(yīng)原理的燈泡無(wú)線供電技術(shù)，他們可以在一米距離內(nèi)無(wú)線給60瓦的燈泡提供電力,電能傳輸效率高達(dá)75%4。研究者由此設(shè)想電源可以在這范圍內(nèi)為電池進(jìn)行無(wú)線充電，進(jìn)而推想只需要安裝一個(gè)電源，即可為整個(gè)屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過(guò)磁感應(yīng)點(diǎn)亮燈泡。 Palm是最早將無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)充電器上5。它推出的充電設(shè)備“點(diǎn)金石”，就是利用電磁感應(yīng)原理無(wú)線對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。日本TDK公司

12、新推出了一款無(wú)線充電音箱，用戶可以在享受音樂(lè)的同時(shí)對(duì)手機(jī)充電。該無(wú)線充電音箱的頂部裝有一塊無(wú)線充電板，手機(jī)僅需放在音箱頂部即可充電。三星推出新款手機(jī)就配備了無(wú)線充電器，諾基亞也為其旗艦機(jī)型搭上了無(wú)線充電器充電器。國(guó)內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)無(wú)線供電器設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚，近年來(lái)也得到了蓬勃發(fā)展且顯出了欣欣向榮的趨勢(shì)，市面上也出現(xiàn)了眾多無(wú)線充電產(chǎn)品。從之前在電動(dòng)牙刷、剃須刀等小功率產(chǎn)品上的應(yīng)用，發(fā)展到現(xiàn)在在手機(jī)充電器等方面更大功率的傳輸?shù)木薮笸黄菩缘倪M(jìn)展。作為Qi標(biāo)準(zhǔn)組織的一員，海爾在2011年CES上推出了概念性“無(wú)尾電視”，不需要電源線、信號(hào)線和網(wǎng)線。海爾稱該產(chǎn)品采用了與麻省理工學(xué)院合作的無(wú)線電力傳輸技

13、術(shù)。中國(guó)香港的美創(chuàng)公司出品的無(wú)線充電器也小有名氣（美創(chuàng)科技有限公司是著名的電子元器件獨(dú)立分銷商）。深圳的暢客在無(wú)線充電器的發(fā)展也嶄露頭角。第2章 無(wú)線充電系統(tǒng)主要原理分析2.1 無(wú)線充電技術(shù)的原理電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)定律是中學(xué)時(shí)我們就都接觸到的物理理論，它的主要原理是閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切CI IJ磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，有了電動(dòng)勢(shì)就會(huì)驅(qū)動(dòng)電子形成電流。這種切割磁力線產(chǎn)生電流的現(xiàn)象就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。其產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。導(dǎo)體放在變化磁通量中也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)被稱做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而我們可以推理如果將此導(dǎo)體閉合成一個(gè)回路，在此電動(dòng)勢(shì)的作用下就會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)形成電流。其實(shí)閉合電路

14、的一段導(dǎo)體在做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上就是整個(gè)閉合導(dǎo)體面積范圍內(nèi)磁通量變化了。我們就是通過(guò)這個(gè)原理給給線圈一個(gè)不斷變化的磁通量，線圈中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，再將這個(gè)電流整流到直流為手機(jī)充電。 換句話說(shuō)無(wú)線充電就是一讓充電器和被充電設(shè)備之間充滿磁場(chǎng)，進(jìn)而利用磁場(chǎng)攜帶的能量來(lái)傳輸電力。因?yàn)槌潆姾褪謾C(jī)之間沒(méi)有直接的接觸，線圈中的電流和電壓是通過(guò)磁場(chǎng)禍合生成的，本質(zhì)上講，它是通過(guò)一對(duì)距離相對(duì)較近的相互藕合的電感線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)電和磁的轉(zhuǎn)化的。 十九世紀(jì)三十年代法拉第將一個(gè)鐵芯套上兩個(gè)電感線圈，對(duì)其中一個(gè)線圈接入直流電，另一個(gè)線圈串聯(lián)一個(gè)電流表，實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)象是如果接通直流電的線圈在開關(guān)通斷的情況下，另一個(gè)接電流

15、表的線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種電流是隨著開關(guān)通斷而瞬時(shí)產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他把鐵芯取出后，這種現(xiàn)象依然發(fā)生。區(qū)別只是，有鐵芯比沒(méi)有鐵芯所產(chǎn)生的電流不一樣，有鐵芯比沒(méi)有鐵芯能得到更大的瞬時(shí)電流。為了深入研究這種奇怪的現(xiàn)象，他又做了很多的實(shí)驗(yàn)，之后他向皇家學(xué)會(huì)提交了關(guān)于這種奇怪現(xiàn)象的報(bào)告，在報(bào)告中他把此種發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象日i做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，他在報(bào)告中總結(jié)了一共五種一可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，即當(dāng)有變化的磁場(chǎng)、變化的電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、以及在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體時(shí)，都能產(chǎn)生電磁感應(yīng)想象，它的這個(gè)研究為日后科學(xué)家們建立完整的電磁理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 以下是感生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式: En/t (式2-

16、1)其中E是我們所說(shuō)的感生電動(dòng)勢(shì)，單位是伏V， n代表著感應(yīng)線圈的圈數(shù)，而八中/t 反映是磁通量的變化速度。 磁通量= Bs(式2-2 )其中 代表著磁通量單位是韋伯，B是在均勻磁場(chǎng)環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S代表面積。 感應(yīng)電流的流動(dòng)方向可以判斷感生電動(dòng)勢(shì)的正負(fù)，對(duì)于電源本身來(lái)說(shuō)，電流的是從負(fù)極向正極流動(dòng)的。 自感電動(dòng)勢(shì)En/t =Li/t（式2-3 )其中L被稱做自感系數(shù)單位是亨，在實(shí)際潔況中，線圈中如果沒(méi)有鐵芯結(jié)構(gòu)的話要比有鐵芯要小，vi代表電流的變化，vt為時(shí)間，而vi / vt的物理合義則可以很直觀的推出是自感電流的變化速率。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 以下給出兩個(gè)線圈的模式和近似公式，如圖2-1所示，線

17、圈1集成在無(wú)線充電器端，線圈2集成在在手機(jī)端，充電器端的線圈一般情況下要比手機(jī)端的線圈要大，圖中;1為線圈1的半徑，r2為線圈2的半徑，線圈1有n1匝，線圈2有n2匝，d為兩個(gè)線圈間的距離，給線圈1施加I Sln CUt)的正弦電流，則線圈2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以近似為:2.2無(wú)線供電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式無(wú)線供電技術(shù)主要有三種實(shí)現(xiàn)形式，因此原理也不盡相同，這里分別簡(jiǎn)要介紹：2.2.1近場(chǎng)耦合式這一形式通過(guò)近場(chǎng)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，是當(dāng)前工程領(lǐng)域中最為可行的電能傳輸方式，其通過(guò)將交變電流在原線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)耦合到副線圈上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。這種形式傳輸距離非常近（一般小于5mm），主要應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品

18、、醫(yī)療非接觸式產(chǎn)品、無(wú)線充電等。 2.2.2磁場(chǎng)共振式這一形式通過(guò)非輻射磁場(chǎng)內(nèi)兩線圈的共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)中距離的無(wú)線供電（供電距離一般不超過(guò)1m）。2.2.3微波輻射式這一方式通過(guò)電波的形式在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)采用定向天線或高質(zhì)量的平行激光束實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電（一般認(rèn)為最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)3.6萬(wàn)km），在發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)化為射頻功率并以可控、低損的方式將其以微波形式輻射出去，在接收端則利用整流天線等裝置將微波能量轉(zhuǎn)換為直流或交流電能。這一形式主要用于衛(wèi)星、太陽(yáng)能發(fā)電的傳輸系統(tǒng)等。2.3 無(wú)線充電電路模型 本文研究鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)，所以選用近場(chǎng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)。原理圖如下：2.4 耦合性能分析及功率補(bǔ)償在功率因數(shù)較小的

19、無(wú)線充電系統(tǒng)中，接收端部分要獲得足夠多的有用功率時(shí)，發(fā)射端就要提供更大的功率，這會(huì)增加了發(fā)射端電路的負(fù)擔(dān)和損耗。為了改善回路的性能，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，需要對(duì)系統(tǒng)添加無(wú)功補(bǔ)償，從而提高電能的傳輸效率。加入補(bǔ)償電容，能夠提高系統(tǒng)的電能傳輸能力，且當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)輸出的功率最大。2.5 本章小結(jié)通過(guò)對(duì)本章電路模型的分析，能夠?yàn)閷?shí)際電路功能設(shè)計(jì)和元件選取提供指導(dǎo)方向。第3章 無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)此款鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：第一部分無(wú)線電能發(fā)射模塊，第二部分無(wú)線電能接收模塊。在工作時(shí)，發(fā)射部分首先將直流電（通過(guò)外部適配器獲得）送入逆變電路，將其轉(zhuǎn)化為所需頻率的交流電，再通過(guò)線圈將其能量發(fā)射出去

20、；接收部分通過(guò)電磁感應(yīng)耦合接收該交流電，并將其整流、濾波，然后穩(wěn)壓輸出 5V 給便攜式設(shè)備中的鋰電池。系統(tǒng)通過(guò)MCU 來(lái)檢測(cè)發(fā)射部分的電流和電壓參數(shù)，通過(guò)改變 PWM 輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸電能大小的控制。此款無(wú)線充電系統(tǒng)能夠在電能傳輸過(guò)程中時(shí)刻檢測(cè)電流、電壓等反饋信號(hào)，從而控制系統(tǒng)在安全的范圍工作。系統(tǒng)框圖如圖 3.1 所示：3.1 電能發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)3.1.1 整流濾波電路 對(duì)于無(wú)線電能傳輸?shù)慕邮斩司€圈的整流變換電路結(jié)構(gòu)如圖所示。其工作原理與前文的整流濾波電路相同，同樣采用單相橋式整流電路，后接濾波電容。利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，用四個(gè)相同的二極管排列成橋式結(jié)構(gòu)，達(dá)到將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的目

21、的。3.1.2 電壓型全橋逆變電路本文無(wú)線充電系統(tǒng)中采用的是電壓型逆變電路結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）直流側(cè)的電壓基本無(wú)脈動(dòng)，回路阻抗低。（2）直流電壓源有鉗位作用，交流輸出端的電壓波形為矩形波，負(fù)載的電流波形近似為正弦波。（3）直流側(cè)電容起到無(wú)功能量緩沖的作用。因此需要在逆變器各臂并聯(lián)反饋二極管，給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道。電壓型全橋逆變電路如圖 3.2 所示：在分析電路時(shí)，電阻和電感 可以看做一個(gè)整體，作為全橋電路的負(fù)載。圖V1V4是全橋電路的4個(gè)臂，采用NMOS器件。當(dāng)開關(guān)管V1、V4 導(dǎo)通時(shí)，V2、V3截止，負(fù)載U的電壓為正：當(dāng)開關(guān)管V1、V4截止時(shí)，V2、V3導(dǎo)通，

22、負(fù)載的電壓為負(fù)。負(fù)載端的電壓波形和電流如圖3.3 所示：這樣就把直流電轉(zhuǎn)化成了交流電，通過(guò)改變兩組 NMOS 開關(guān)管工作頻率，即可控制輸出交流電的頻率。3.1.3 信號(hào)檢測(cè)與保護(hù)電路在無(wú)線充電系統(tǒng)中，接收模塊的輸出功率變化會(huì)對(duì)發(fā)射模塊中逆變器的品質(zhì)因Q帶來(lái)很大的影響。例如在充電的過(guò)程中，當(dāng)接收模塊遠(yuǎn)離發(fā)射模塊時(shí)，接收線圈到發(fā)射線圈的反映阻抗就會(huì)變小，從而使得逆變器中的電流急劇上升，容易導(dǎo)致初級(jí)感應(yīng)線圈電流達(dá)到飽和，開關(guān)器件受到損壞。此時(shí)需要調(diào)整逆變器的工作頻率使之遠(yuǎn)離自身的諧振頻率，從而增大回路阻抗把電流降到安全的范圍內(nèi)。當(dāng)接收模塊又再次接近發(fā)射模塊時(shí)，逆變器的工作頻率應(yīng)能做相應(yīng)的調(diào)整，使其接

23、近于諧振狀態(tài)，提高電能的傳輸能力。要完成以上功能需要對(duì)初級(jí)線圈的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)。3.1.2.1 電壓取樣電路系統(tǒng)通過(guò)電壓取樣電路采集發(fā)射線圈電壓大小的變化，作為控制電路的反饋信號(hào)。電壓取樣電路如圖 3.4 所示：3.1.2.2 電流取樣電路發(fā)射模塊空載的時(shí)候，圖3.5中的 I-SIGN2 端的電壓很小。當(dāng)接收線圈靠近發(fā)射線圈的時(shí)候，逆變器中的電流會(huì)增大。因此通過(guò)檢測(cè) I-SIGN2 端的電壓，單片機(jī)可以判斷發(fā)射線圈與接收線圈之間是否有能量傳輸。電流取樣電路如圖3.5所示：3.2 電能接收模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1 整流與穩(wěn)壓電路電能接收模塊通過(guò)接收線圈，將變換的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為交流的電能。如果單靠

24、接收線圈來(lái)接收能量，會(huì)使無(wú)線充電系統(tǒng)的電能傳輸效率變低，因此接收線圈也需要進(jìn)行電容補(bǔ)償。系統(tǒng)中采用的 LC 串聯(lián)補(bǔ)償方法。無(wú)線電能接收模塊電路如圖 3.5 所示：接收線圈兩端輸出電能是交流電形式，因此需要經(jīng)過(guò)一個(gè)整流電路將交流變?yōu)橹绷?。圖中采用的是橋式整流結(jié)構(gòu)。當(dāng)線圈輸出電壓為正半周時(shí)，二極管D2和D3導(dǎo)通，D1和D4截止；當(dāng)線圈輸出電壓為負(fù)半周時(shí)，D1和D4導(dǎo)通，二極管D2和D3截止。因此輸出電壓在一整個(gè)周期內(nèi)都有電流流過(guò)負(fù)載，并且電流方向相同，從而使得接收線圈輸出電壓的直流成分得到提高。3.2.2 接收端鋰電池充電電路無(wú)線接收端的鋰電池充電模塊選用 TP4056 芯片，此款芯片采用線性充電

25、方式原理。TP4056 的最大充電電流為1A，它所需要的外部元件較少，不需要額外添加電容、電感等元件，因此可以讓無(wú)線接收模塊的體積變得更小。TP4056的電路如圖3.6所示:3.3 控制電路設(shè)計(jì) 控制電路在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要作用，它根據(jù)電壓和電流檢測(cè)電路提供的采樣數(shù)據(jù)，判斷電池的狀態(tài)，合理的控制電源充電電路，保證電池在正常的充電狀態(tài)下使電池性能和充電速度達(dá)到優(yōu)化。 本文采用STM32處理器作為動(dòng)力埋離子電池組快速充電裝置的控制器，功能強(qiáng)大，速度快，功耗低，線路簡(jiǎn)單可靠，程序采用C語(yǔ)言編譯。圖3. 24為電路的控制框圖。A/D轉(zhuǎn)換接口1和接口2分別接收電壓電測(cè)電路和電流檢測(cè)電路檢測(cè)到的電壓值和電

26、流值，并根據(jù)所采樣值的大小分析電池組應(yīng)處于何種狀態(tài)，并控制各個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的充電狀態(tài)的控制。3.4 本章小結(jié)本章分析了鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)中發(fā)射模塊和接收模塊的電路結(jié)構(gòu)，并給出了相應(yīng)的電路圖。在發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)中主要介紹了全橋逆變電路的工作狀態(tài)，在接收模塊電路設(shè)計(jì)中主要介紹了全橋整流電路以及基于 TP4056 鋰電池充電電路。本章還重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及各個(gè)模塊的電路圖，本文設(shè)計(jì)的思路是:采用變電流電壓脈沖充電方法對(duì)電池組進(jìn)行充電，通過(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)電池組的單體電池電壓、充電電流，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)反饋給STM32處理器，處理器根據(jù)當(dāng)前埋離子電池組的充電情況，

27、通過(guò)調(diào)整PWM控制器的占空比，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電路和檢測(cè)電路工作狀態(tài)的調(diào)整，從而完成對(duì)埋離子電池組的充電監(jiān)控過(guò)程。本章還描述了設(shè)計(jì)中需要用到的核心器件及芯片的功能用途和工作原理:MOS管是一種電壓驅(qū)動(dòng)控制型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件，在本設(shè)計(jì)中作為電路中的開關(guān)使用，按一定的規(guī)律，周期性地、實(shí)時(shí)地控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池充電狀態(tài)的變換和控制，并在電壓檢測(cè)電路中用于實(shí)現(xiàn)單體電池的電壓檢測(cè);GE3011開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片接收了控制系統(tǒng)較弱的控制信號(hào)后，給MOS開關(guān)管控制極提供了較大的驅(qū)動(dòng)值，開關(guān)管就會(huì)導(dǎo)通了;三端穩(wěn)壓芯片TL431利用其基準(zhǔn)特性，應(yīng)用與電路中形成恒流電路，輸出恒定電流;電流檢測(cè)芯片MAX472用于檢測(cè)電池組的電流值，并將采樣的電流值輸送至控制芯片中;微控制器STM3