24W无线充电系统主电路设计——基于电磁谐振技术

厦门新页科技有限公司 林桂江

0 引言

近年来，无线充电技术得到了快速发展，主流的无线供电方案主要有电磁感应、电磁谐振、微波和电场耦合等技术方式。电磁感应是最早的技术方案，可以实现高达100kW的大电力传输，但是充电距离有限，产品一般为1cm以内，并且线圈的对准要求高，不能发生偏移；电磁谐振是利用发射和接收线圈在相同频率下发生共振时电磁耦合特性，实现能量高效远距离的传输，充电距离可达数米；微波无线电能传输主要是将能量以微波或者激光的形式远程传输，特点是距离远，达数千米，但是效率和功率都非常低；电场耦合是利用发送与接收端设置的电极的电场来完成能量的无线传输，优点是位置自由，缺点是实现高压电场的成本高、体积大，传输距离相对较短[1]。

在以上技术基础上目前各大机构和厂商都积极推进标准的布局和制定，目前在小功率领域，市场主要有三大无线充电标准，分别为Qi, PMA和A4WP，主要应用于可穿戴电子产品、手机和平板电脑等，大功率领域的无线充电主要应用于电动汽车

图1 系统整体示意图

1 系统设计

1.1 总图

如图1所示是系统示意图，输入端为适配器输出，然后经过全桥高频逆变，谐振部分由电感线圈和电容串联组成，能量的无线传输是由高频的交变电磁场完成。接收端经过高频整流、滤波和降压电压变换后对可对蓄电池充电。

图2 主电路等效电路

图2 所示为主电路等效电路，电感线圈采用耦合线圈模型，无线充电技术的谐振补偿的基本原理是在发射端和接收端串联电容（发射端和接受端可以分别采用串联或并联，本系统采用上，相关标准仍不完善，仍然在积极推荐和改善中，目前主要有美国汽车工程师协会的J2954以及中国中兴、比亚迪等起草的SZDB/Z 150—2015《电动汽车无线充电系统》[2][3]。

本系统主要针对中功率无线供电进行了设计，主要的应用场合有机器人、小功率电器等，主要特性是24W电能传输，81%效率，2cm传输距离，兼容平衡了功率、效率、体积、成本、可靠性等多方面因素。

串串的组合方式）。

从该电路中得出：

图3 发射端主电路电路图

图4 接收端主电路电路图

经推导系统效率：

则效率最大时，需要︱ZM+ZS+RL︱最小，此时

因此，若要效率达到最大，则接收端需要工作在谐振点，同理得，若需要发射端的功率发射最大，则发射端需要同样工作在谐振点。这就是低频下电磁谐振的基本原理。

1.2 发射端

如图3所示是系统发送端主电路，驱动芯片采用IR公司的IR2181，其内部集成了自举电路完成对半桥的驱动，其驱动电流可达1.8A，上升/下降时间只有40/20ns，开关管采用IR公司的IRF7815，其导通电阻为43mΩ，门极电容只有25nC，配合图中的RC吸收电路和母线寄生电感的吸收电容保证了在高频下满负载或短期过负载运行的电路可靠性。谐振电容在电路中对容值的变化比较敏感，所以采用CoG电容，以满足在温度变化时的电路性能。谐振电感采用50uH的平面电感，电感需要采用低磁阻材料作为其磁屏蔽层，减少磁力线的外围辐射。

1.3 接收端

如图4所示是系统接收端主电路，为防止母线电压过高，在电路中设置了两个高压抑制管，在经过高频整流和滤波后，采用TI的LMR46002电源芯片，其电路形式为BUCK降压电路，工作频率可达2M，可使得电路体积非常小，平衡电磁干扰问题，电路中使其工作在500KHz。同时，当负载会出现突变情况时，FB反馈脚可能调换成PWM波形式反馈电压信号，减缓其突变斜率。

2 电路仿真波形

图5 系统等效电路仿真电路

如图5所示是电路等效图在的仿真电路，实际电路的逆变输出由图中的电源代替，R2、R3为线路和线圈等效电阻，松耦合线圈由一组互感线圈等效，实际松耦合线圈的耦合系数依据距离远近在0.2-0.5间变化，图中设置为0.22。负载由R1模拟，大小为5Ω，此时模拟重载情况。

图6 是电路在不同频率下负载上的电压波形，在此图中，有两点需要注意：一是在谐振点（104kHz）附近，出现了频率分离现象，本该是电压最高点，但是在重载是易出现波谷，在控制时应注意此现象[4]；二是在谐振点附近斜率陡，系统稳定性差，一般在中小功率谐振技术中，会在功率和控制难易上取平衡，所设计的系统工作在125kHz—200kHz之间。

图7 f=130kHz时，电感电容电压大小

图7 所示为发射端和接收端的电感电容电压，其中L1C1为发射端电感电容，L2C2为接收端电感电容。由图可以看出，在该频率下，电感和电容都发生了谐振，且原边线圈和电容的最大电压为输入电压的5-6倍，该电压应力在可接受范围内。

3 实验波形

图8 实验平台

图9 发射端的电感电容波形

图8 所示为实验平台，图中演示的是满载运行，直流电源显示输入为35.5V，0.9A，电子负载仪显示输出为24.13V，1.02A输出，充电距离即线圈间的距离为2cm，此时系统的效率为77%。图9为发送端线圈和电容上的电压波形，可以看出两者发生了谐振，此时线圈的电压高达66V。在实际运行中发现，除了开关管等发热外，线圈的发热也是需要注意的地方，因此在绕制线圈时需要采用l iz线来减少高频下肌肤效应，减小电阻。

4 总结

经测量，本系统可以稳定可靠的运行，同时线圈的错位允许20%，效率下降不会超过10%；限制系统距离提升的关键在于负载解调的通信方式在距离变大后，灵敏度和通信范围（由线圈电压/电流反映）之间的平衡不好掌握，在kW级别的通信中，会采取蓝牙等通信方式。[5][6]

[1]祝毓.国内外无线充电技术专利分析[J].电力与能源,2015,36(1).

[2]王振亚,王雪梅,张波,丘东元.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].电源学报,2014(3).

[3]Jaegue Shin,Seungyong Shin,Yangsu Kim,Seungyoung Ahn,Seokhwan Lee,Guho Jung,Seong-Jeub Jeon,“ Design and implementation of shaped Magnetic-Resonance-Based Wireless power transfer system for Roadway-Powered Moving electric vehicles”[J].IEEE transaction on industrial electronics,2014,161(3).

[4]任晓峰.电动汽车无线充电系统的研制及性能优化[D].哈尔滨工业大学,2014(6).

[5]陈文浩.RFID低频读写器的研究与实现[D].大连海事大学,2008(3).

[6]C.Zhao,Z.Wang,J.Du,J.Wu,S.Zong,X.He,“Active Resonance Wireless Power Transfer System Using Phase Shift Control Strategy”[C].Proc.of IEEE Applied Power Electronics Conference and xposition(APEC),2014.