一种非接触充电装置研究

黄淑华，李广荣

（1.山东天柱建设监理咨询有限公司，山东　聊城　252000；2.山东聊城市市政设施养护所，山东　聊城　252000）

一种非接触充电装置研究

黄淑华1，李广荣2

（1.山东天柱建设监理咨询有限公司，山东聊城252000；2.山东聊城市市政设施养护所，山东聊城252000）

提出一种充电装置，采用非接触方法实现电能供给。为了提高装置的传输效率，发射装置采用LLC谐振电路，通过调节开关频率的方式进行功率控制。接收装置采用RLC串联谐振电路，通过调整固有频率与发射装置的激磁频率相同，产生电磁共振的方式来增大接收功率和效率。

非接触充电；功率控制；电磁共振

1　非接触充电技术概述

电器设备中的蓄电池一般是通过充电机（器）和插头、插座等接口的物理连接来实现的。如在市政道路巡视中经常使用的电动交通工具，在变电站广泛使用的巡检机器人等，存在电能补充困难，安全性低，或需要机器人自主定位和插拔等问题，增加系统难度和成本，连接线路容易受到污物腐蚀，使得系统安全性、可靠性及使用寿命降低，引发事故。采用非接触充电技术可以克服传统接触式充电的一些缺陷，避免机械磨损，增强系统的安全性和可靠性。

广义地说，终端用电设备通过非接触方式获取电能的过程就叫非接触供电，非接触供电装置就是一套通过非接触方式传输电能或将其他能量转化为电能的装置。非接触供电的方式有多种，所有携带能量的物质形式都有可能用来非接触供电，如电磁感应、电磁共振、风力发电、太阳能发电、潮汐发电、微波供电、激光供电、远红外供电等。风电、太阳能、潮汐等发电方式因设备复杂，体积庞大，技术成熟度等原因不适合直接与终端设备整合成一体，如太阳能汽车，受光照能量密度、装换效率低，光照变化情况较大的制约，很难从实验室走向市场。以微波和激光为媒介的非接触供电在某些方面具有一定的优势，但会对环境产生较大的影响，特别是对生物产生影响，通常不适于民用。

狭义地说，通常我们把以电磁感应和电磁共振为基础的非接触供电方式叫做非接触供电，其基本原理是通过一次侧能量发射线圈与二次侧能量接收线圈将电能经过整流滤波和功率调节后提供给用电设备。电能传输经历了二次转换，即发射部分将电能转化为磁能，然后由接收部分将磁能转化为电能。电磁感应的接收线圈通过磁芯的耦合从一次侧获取电能；而电磁共振则是调节接收端的谐振频率与发射端的谐振频率相一致，在两端线圈间产生共振，实现能量的传递，现在大部分非接触供电都是基于这两种方式实现的。

图1　变电站巡检机器人非接触充电系统结构

2　变电站巡检机器人非接触充电装置

2.1基本思路和系统原理

变电站巡检机器人非接触充电系统利用电磁共振理论实现电能的传输，系统结构如图1所示。以发射模块和接收模块为分界点，系统结构由两大部分组成，能量由交流电网工频输入，经整流滤波成为直流，并经过功率因数校正（APFC），通过高频逆变单元给发射模块提供高频交变电流。接收模块与发射模块组成了松耦合可分离变压器，调整接收装置的谐振频率与发射装置的激磁频率相同，可增加电能传输容量。电能经过高频整流和滤波稳压后提供给电池充电。接收模块和发射模块之间通过无线通讯单元对能量变换进行检测和控制。发射模块和接收模块从空间上是分离的，这与传统开关电源中的变压器有很大不同。

变电站巡检机器人车载部分包括接收模块和整流装置，而发射模块和发射主机均在外部，能量传输的发射模块和接收模块可分离，电能实现非接触传输，大大降低对机器人充电定位准确性的要求，避免了机械磨损，增强了系统的安全性能，简化了机器人系统。

2.2系统组成

如图1所示，变电站巡检机器人非接触充电系统主要由4个部分组成：发射主机、发射模块、接收模块、高频整流装置。其中发射主机包括EMS电路、有源功率因数校正电路（APFC）、高频逆变电路和控制、检测、驱动、保护、无线通讯电路等，发射和接收模块主要是线圈和磁芯，整流装置包括高频整流、滤波稳压及控制、检测电路等。

发射装置主电路采用LLC拓扑，以单片机L6599和L6561为控制核心，电路结构框图如图2所示。电感L1、电容C1、MOS管V1、二极管D1、电容C2和控制芯片L6561及驱动电路组成APFC电路，MOS管V2、V3、电容C3、发射线圈T和半桥谐振控制芯片L6599及驱动电路组成了谐振电路。在APFC电路反常状态下，为防止半桥V2、V3电压、电流、开关频率等超出其调节范围，L6561发送信号，关闭谐振；在轻载时，为防止APFC输出过压，L6599发送信号关闭APFC。

图2　发射装置主电路拓扑结构

接收装置采用带磁芯的电感与电容、电阻串联谐振的方式实现，电路拓扑结构如图3所示。其中，电感T2、电容C4和电阻R1组成接收模块并与高频整流装置的等效电阻、三极管V4一起组成RLC串联谐振电路，通过调整三极管基极电流可以调整RLC串联电路固有频率接近发射装置的激磁频率，以增加电能传输容量和效率。

图3　接收装置主电路拓扑结构

2.3功率控制

假设各功率开关均为理想器件，则APFC高频逆变和高频整流可简化为1个方波电压源，该电压源的频率为功率开关的开关频率。接收装置对发射装置的负载效应等效为1个电阻，可分离变压器磁阻较大，即使在接收装置固有频率和发射装置激磁频率相同的情况下，能量传输仍然受到很大的限制，因此在分析中整个接收充电装置可用一个较大的电阻Req等效。发射模块，即可分离变压器的一次侧和谐振电容可简化为漏感Ls、激磁电感Lm和谐振电容Cs串联的等效电路，同样由于可分离变压器的磁阻较大，激磁电感Lm很小。则发射主机和发射模块可简化为如图4所示的等效电路。

图4　发射主机和发射模块等效电路

根据基尔霍夫定律，可以得电源的输出电流为

当电路参数确定之后，Is可见电流是确定的，因此电源可以等效为1个电流源，功率控制即可转化为电压控制。

电路的传递函数为

调整开关管V2、V3的开关频率即，此时，电路发生谐振，发送装置的发送功率最大，从式（3）可见调整开关频率即可以调整传递函数，从而调整发送装置的发送功率。

接收装置的接收功率取决于接收装置对发射装置的负载等效系数，而电路参数、硬件电路和发射模块与接收模块间介质一旦确定，负载等效系数就仅仅受到发射线圈和接收线圈的相对位置和接收模块固有频率的影响。接收模块的固有频率与发射模块开关频率相同，并且同步变化，可最大限度地接收发送功率。

接收装置调整管V4和电阻R1可以用一个可变电阻R来等效，整流输出和负载可以用一个输出电阻R0来等效，则接收装置可等效为如图5所示的电路。

图5　接收装置等效电路

回路阻抗为：

3　装置试验

设计变电站巡检机器人非接触充电装置，其输入为交流220 V，输出电压为直流24 V，电流2 A。

处于谐振的条件下，影响充电装置电能传输效率的主要因素有谐振频率和可分离变压器的耦合系数。在电路结构及参数确定的情况下，谐振频率对传输效率和容量的影响极其显著。升高充电装置的谐振频率对提高电能的传输容量和效率是有益的。但过高的电路变换频率会大幅增加装置的设计难度和成本。结合LLC电路成熟应用的工作频率，此处选择LLC电路谐振网络的固有频率为200 kHz，MOS管的开关频率采用过谐振的方式，开关频率控制在200～250 kHz。

将该装置发射和接收模块对正，距离约2 cm，分别在0.5 A和2 A负载电流下测得发射装置MOS管驱动、发射线圈端电压、接收线圈端电压、整流输出端电压的波形如图6所示。

图6　负载试验波形

试验发现，在空载的情况下，整套装置处于间歇工作状态，工作时的开关频率接近250 kHz，在0.5 A负载时开关频率约为226 kHz，在2 A负载时开关频率约为208 kHz。满载情况下测量得整机效率约为81.5%。

4　结语

装置。为提高装置的传输效率，发射装置采用LLC谐振电路，通过调节开关频率的方式进行功率控制；接收装置采用RLC串联谐振电路，通过调整固有频率与发射装置的激磁频率相同，产生电磁共振的方式来增大接收功率和效率。这种装置接收和发射在物理上是分开的，中间是空气和非金属机壳，实现了电能的非接触传输。这种装置和技术可以在电动交通工具、变电站巡检机器人等装置上应用，可以降低触电风险，减少机械磨损，提高设备的安全性和可靠性。

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研究一种采用非接触方法实现电能供给的充电

An Apparatus of Contactless Charging Technology

HUANG Shuhua1，LI Guangrong2
（1.Shandong Tianzhu Construction Supervision Consulting Co.，Ltd.，Liaocheng 252000，China；2.Shandong Liaocheng Municipal Facilities Maintenance，Liaocheng 252000，China）

A contactless charging apparatus is studied in this paper.In order to improve the transmission efficiency of the apparatus，LLC resonant circuit is applied，in which the power can be controlled by adjusting the switching frequency.The RLC series resonant circuit is used in the receiving device，the natural frequency of which can be adjusted as the same as the excitation frequency of the emission device.The received power and efficiency of the receiving device can be increased with electromagnetic resonance.

contactless charging；power controlled；electromagnetic resonance

TM910.6

B

1007-9904（2015）11-0066-04

2015-06-13

黄淑华（1978），女，工程师，从事工程监理相关工作；

李广荣（1972），女，经济师，从事市政道路工程相关工作。