一種感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的研究與分析*

陳曉樸，鄒　興，黃勝明，王建華

（1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240；3.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院 江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

一種感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的研究與分析*

陳曉樸1，鄒興2，黃勝明1，王建華3

（1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240；3.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院 江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

在分析感應(yīng)式無線電能傳輸變換器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款用于便攜式電子設(shè)備的無線充電系統(tǒng)，能夠自動識別充電目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)輸出過壓保護(hù)。在系統(tǒng)接收端與發(fā)射端之間建立信號與能量一體化傳輸方式，相較于獨(dú)立傳輸方式，能夠提高系統(tǒng)的功率密度并且降低硬件成本。通過實(shí)驗(yàn)分析接收端線圈與發(fā)射端線圈的距離及負(fù)載變化對傳輸效率的影響，驗(yàn)證了理論分析的可行性。

感應(yīng)式；無線電能傳輸；傳輸效率；諧振

0　引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,便攜式電子產(chǎn)品越來越普及。對用戶而言，傳統(tǒng)的有線充電器攜帶及充電都很不方便。采用無線電能傳輸方式，無需將導(dǎo)體裸露在外，不會引起機(jī)械磨損和接觸松動，提高了充電器的壽命和安全性能。無線電能傳輸所具有的良好安全性、可靠性和方便性使此項(xiàng)技術(shù)在便攜式電子設(shè)備充電領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景[1-2]。

本文詳盡介紹一款感應(yīng)式便攜式電子設(shè)備無線充電系統(tǒng)的設(shè)計及分析過程。該無線充電系統(tǒng)分為兩部份：發(fā)射端和接收端。發(fā)射端采用全橋逆變電路，把直流供電電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓后提供給諧振單元。在變壓器的原副邊分別串聯(lián)補(bǔ)償用的諧振電容，使變換器工作在諧振頻率點(diǎn)附近，極大地提高了能量傳輸效率。此外，為了提高系統(tǒng)的功率密度及降低硬件成本，在發(fā)射端與接收端之間建立信號與能量一體化傳輸方式；該充電系統(tǒng)能夠自動識別放置于發(fā)射板的充電目標(biāo)，并且在接收端設(shè)計電壓檢測電路，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。

1　感應(yīng)式無線電能傳輸原理及諧振單元模型

1.1感應(yīng)式無線充電原理

感應(yīng)式無線充電是利用電源側(cè)線圈產(chǎn)生交變磁場，耦合到負(fù)載側(cè)線圈，從而將電能傳遞給負(fù)載側(cè)。感應(yīng)式無線電能傳輸采用近場傳輸，在近場區(qū)只有電磁能量相互轉(zhuǎn)換[3]，在某個確定頻率下，線圈工作在諧振頻率點(diǎn)，因?yàn)樵边叺闹C振頻率相同，所以能高效地傳輸能量。

感應(yīng)式諧振無線電能傳輸技術(shù)就是利用磁場耦合和諧振技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電能高效率無線傳輸。其理論基礎(chǔ)是耦合模式理論，其主要思想是系統(tǒng)中具有相同諧振頻率的物體之間通過磁場耦合從而進(jìn)行高效率能量交換，而偏離諧振頻率的物體之間相互作用則較弱[4]。

1.2諧振單元模型

圖1所示是一種串聯(lián)補(bǔ)償諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在變壓器原、副邊分別串聯(lián)諧振電容 C1和 C2，通過控制芯片控制全橋逆變電路的輸出脈沖頻率，使變換器工作在諧振頻率點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。

圖1　主電路拓?fù)鋱D

該系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在電氣和空間上完全獨(dú)立。發(fā)射端直流輸入電壓通過全橋逆變電路，輸出一個高頻脈沖電壓，驅(qū)動諧振線圈工作。設(shè)由C1與Lp組成的諧振發(fā)射電路的自諧振頻率為fp，全橋逆變電路輸出脈沖電壓頻率為 fk，當(dāng)高頻電流注入發(fā)射諧振電路后，發(fā)射端線圈就產(chǎn)生了高頻交變磁場。由文獻(xiàn)[5]可知，在接收端負(fù)載相同時，fk與 fp越接近，線圈電感內(nèi)的諧振電流就會越大。電感Ls與電容C2組成接收諧振電路，自諧振頻率為fs。當(dāng)fs=fp時，接收端與發(fā)射端的耦合系數(shù)最大。若已知耦合電路電感值為L，電容值為C，則可知耦合諧振頻率f為：

為了便于分析和計算，可建立無線能量傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ腿鐖D2所示，其中Rs和Rp分別為發(fā)射與接收線圈回路的高頻內(nèi)阻，Lp和Ls分別為其自感，Cp與 Cs分別為發(fā)射端和接收端諧振線圈回路中的串聯(lián)諧振電容，Up為發(fā)射端輸入電壓，R為負(fù)載電阻，M為線圈互感。

圖2　諧振系統(tǒng)等效電路模型

設(shè)系統(tǒng)諧振角頻率為ω，發(fā)射和接收線圈的自阻抗分別為 Zp和 Zs，則：

利用基爾霍夫定律寫出圖2的回路方程為：

當(dāng)發(fā)射端與接收端回路組成的諧振系統(tǒng)處于全諧振狀態(tài)時，即兩線圈回路均處于諧振狀態(tài)，由電路理論可知兩線圈回路均為純阻性回路，電抗均為0。則發(fā)射端線圈回路與接收端線圈回路等效阻抗Zpp和 Zss分別為：

式中，Zsr、Zpr分別為接收端與發(fā)射端的反射阻抗。

定義線圈傳輸效率η是接收端負(fù)載上的功率與發(fā)射端輸入功率之比，當(dāng)系統(tǒng)處于全諧振時，則由上述公式推導(dǎo)可得：

2　諧振單元線圈與電容的選擇

為了適應(yīng)當(dāng)今電子設(shè)備越來越輕薄的發(fā)展趨勢，選擇能形成垂直于充電系統(tǒng)分布磁場的線圈結(jié)構(gòu)比較合適。在線圈結(jié)構(gòu)選擇上，選擇能覆蓋整個充電系統(tǒng)的單一螺旋線圈結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的線圈最主要的優(yōu)點(diǎn)是：線圈面積大，能覆蓋整個充電系統(tǒng)，當(dāng)電子設(shè)備在充電設(shè)備上方移動時，副邊線圈能高效接收原邊線圈傳來的磁通量；此外此種線圈結(jié)構(gòu)簡單且不需要復(fù)雜的控制電路。

繞線使用多股絞合漆包線，在繞制時，每匝沿徑向由內(nèi)向外擴(kuò)展，繞成多圈結(jié)構(gòu)。為了保證兩線圈具有相同自諧振頻率，該充電平臺發(fā)射端與接收端都選用電感值為12.5 μH的圓形螺旋結(jié)構(gòu)線圈。把發(fā)射端與接收端的諧振頻率都定為 125 kHz，則由式(1)可計算得出發(fā)射端與接收端串聯(lián)的諧振電容容值為13 μF。由于該平臺用于小功率電子設(shè)備的充電，輸出電壓小于 20 V，為了留有一定裕量，這里選擇耐壓值為50 V的貼片電容。

3　通信模塊

對于電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)而言，將副邊工作信息傳輸給原邊進(jìn)行反饋控制的方式有兩種：獨(dú)立式和能量信號一體化傳輸方式。前者是在原副邊系統(tǒng)中增加信號發(fā)射和接收模塊，這樣不僅增加了設(shè)備的體積和成本，而且使得系統(tǒng)變得復(fù)雜。能量信號一體化傳輸方式是將能量和信號經(jīng)過同一個磁路，信號經(jīng)過調(diào)制后加載到主功率波形中，再經(jīng)過濾波得到信號后進(jìn)行解調(diào)，最后分析信號，圖3為其工作示意圖。

圖3　能量信號一體化傳輸示意圖

為使充電系統(tǒng)自動識別放置于發(fā)射板上的充電目標(biāo)，該充電系統(tǒng)在接收端與發(fā)射端之間建立了數(shù)據(jù)信號傳輸機(jī)制。具體原理框圖如圖4所示，工作步驟為：發(fā)射端供電控制芯片每秒發(fā)出 4次短暫脈寬調(diào)制(PWM)信號至全橋逆變模塊，發(fā)射線圈發(fā)送載波到接收線圈上，再由接收端控制芯片控制信號調(diào)制電路來進(jìn)行信號反饋，接收端的反饋信號經(jīng)過發(fā)射端的信號取樣電路和編碼解析電路后，由發(fā)射端控制芯片讀取編碼，當(dāng)讀取到正確的編碼時，說明檢測到充電目標(biāo)，從而發(fā)射端諧振電路發(fā)射出連續(xù)電磁波能量進(jìn)行送電。若發(fā)射板上不放置充電物體，則發(fā)射端接收不到反饋信號，發(fā)射端控制芯片不輸出全橋逆變器的驅(qū)動信號，使得發(fā)射端處于待機(jī)狀態(tài)。

圖4　信號傳輸原理框圖

此外，該充電平臺的接收端還設(shè)計了電壓檢測電路。電壓檢測電路的工作過程為：接收端整流輸出后的電壓經(jīng)過濾波電路后由電壓檢測電路將分壓電壓傳輸至接收端控制芯片。經(jīng)接收端控制芯片判斷分壓電壓是否在正常范圍內(nèi)，若分壓電壓在正常范圍內(nèi)，則充電平臺正常工作；若分壓電壓過大，則接收端控制芯片控制信號調(diào)制電路給發(fā)射端控制芯片傳輸反饋信號，發(fā)射端控制芯片接收到相應(yīng)的編碼后停止向接收端供電，從而達(dá)到過壓保護(hù)的功能。

4　實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)理論分析，制作了一臺原理樣機(jī)，輸入 15 V～ 42 V直流電壓，全橋逆變電路使用2片型號為SIZ904DT的雙N溝道MOS管（漏源耐壓值為 30 V），發(fā)射端與接收端采用電感值為12.5 μH的圓形螺旋線圈，諧振電容值為 13 μF，接收端采用 MP38892使輸出電壓穩(wěn)定在12 V。發(fā)射端采用某型控制芯片輸出高頻 PWM波形驅(qū)動全橋逆變電路,讀取反饋信號；接收端采用某型控制芯片控制穩(wěn)壓芯片MP38892工作，調(diào)制反饋信號。

4.1波形分析

實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5(a)為發(fā)射端全橋逆變模塊的脈沖電壓波形，如圖1所示的全橋逆變電路有兩組橋臂，由MOS管S1和S4組成了第一組橋臂，另兩個MOS管組成第二組橋臂。由其中 u14、u23分別為圖1中第一組橋臂與第二組橋臂的導(dǎo)通電壓波形；圖4(b)up、us分別為發(fā)射端和接收端線圈的電壓波形，可以看到兩線圈工作頻率相同，符合諧振工作原理；圖4(c)ui、uo分別為發(fā)射端輸入電壓與接收端電壓波形，由圖可以得出輸出穩(wěn)定在12 V；圖5(d)為發(fā)射端與接收端之間的信號傳輸波形圖。

圖5　實(shí)驗(yàn)波形圖

4.2接收線圈移動時效率分析

當(dāng)負(fù)載為 12 W 時，圖6(a)為發(fā)射線圈與接收線圈軸向距離與電能傳輸效率之間的關(guān)系曲線圖；圖6(b)所示為軸向距離為3mm時，兩線圈徑向距離與效率之間的關(guān)系曲線圖。

由圖6(a)可以看出，當(dāng)軸向距離為 0時，最高傳輸效率能達(dá)到 80.2%；隨著軸向距離的逐漸增大，傳輸效率不斷減小，當(dāng)軸向距離達(dá)到 15mm時效率僅為 34.5%。由圖6(b)可知，當(dāng)軸向距離固定，兩線圈之間的徑向距離從0mm增加到15mm時，傳輸效率從76.25%下降至51.6%。

由式(8)可知，傳輸效率η與兩線圈的互感 M有關(guān)，其互感計算公式為：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，r為線圈半徑，n為線圈匝數(shù)，D為傳輸距離。

圖6　傳輸效率與線圈距離的關(guān)系曲線

由此可知隨著傳輸距離的增加，兩線圈的互感不斷減小，導(dǎo)致傳輸效率η減小。

4.3輸出負(fù)載變化時傳輸效率分析

當(dāng)兩線圈軸向距離為3mm時，由圖7可知隨著功率負(fù)載的增加，系統(tǒng)效率逐漸增加，功率負(fù)載從 4.8 W增加到20 W時，傳輸效率從47.6%上升到80%。

圖7　傳輸效率與輸出負(fù)載的關(guān)系曲線

5　結(jié)論

本設(shè)計選擇合適的線圈與電容，使發(fā)射線圈與接收線圈同時工作在諧振狀態(tài)，達(dá)到傳輸效率最佳狀態(tài)；采用能量與信號一體化傳輸方式，既實(shí)現(xiàn)了充電目標(biāo)自動識別和輸出過壓保護(hù)的功能，又提高了功率密度，降低了硬件成本。最后研制了一臺樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)分析線圈距離和輸出負(fù)載對系統(tǒng)傳輸效率的影響，驗(yàn)證了理論設(shè)計的可行性。此外，無線通信技術(shù)在該充電系統(tǒng)中的應(yīng)用，使其具有更大的市場應(yīng)用前景。

[1]趙爭鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(3)：1-13.

[2]孟慶奎.手機(jī)無線充電技術(shù)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[3]劉宿城，周雒維.近場磁諧振耦合能量傳輸系統(tǒng)的建模與分析[J].電源學(xué)報，2011(1)：50-55.

[4]KARALIS A，JOANNOPOULOS J D，SOLJAIM.Efficient wire-less non-radiative mid-range energy transfer[J].Annals of Physics，2008(323)：34-48.

[5]傅問珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29(18)：21-26.

Research and analysis of an inductive wireless charging system

Chen Xiaopu1，Zou Xing2，Huang Shengming1，Wang Jianhua3
(1.College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing TECH University,Nanjing 211816，China；2.Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 200240，China；3.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Smart Grid Technology&Equipment，College of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096，China)

A kind of wireless charging system for portable electronic devices was designed on the basis of analyzing the theory of inductive wireless power transmission converter.It can automatically identify the target object and achieve the protection of output overvoltage.Integrated transmission of energy and signal was established between receiving and transmitting port in the system.Compared to the independent transmission mode,the power density of the system can be improved and hardware costs can be reduced.According toexperiments,the influence on transmission efficiency caused by changeable load and distance between transmitter coil and the receiver coil was analyzed,which verifies the feasibility of the theoretical analysis.

induction；wireless power transfer；transmission efficiency；resonance

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.036

上海航天科技創(chuàng)新基金（SAST201426）

2015-05-22)

陳曉樸（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

鄒興（1982-），男，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星總體與電源。

黃勝明（1964-），男，博士，教授，主要研究方向：電力電子器件和系統(tǒng)應(yīng)用、新能源并網(wǎng)技術(shù)和功率電源系統(tǒng)控制集成電路設(shè)計。

中文引用格式：陳曉樸，鄒興，黃勝明，等.一種感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的研究與分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：132-134，138.

英文引用格式：Chen Xiaopu，Zou Xing，Huang Shengming，et al.Research and analysis of an inductive wireless charging system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：132-134，138.