小型电池无线充电系统设计

崔杰，于乐，范千一，周思浩，庞景军，刘金良

（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨，150080）

0 引言

无线电能传输技术的猜想是由尼古拉·特斯拉率先提出。在2007年，由美国麻省理工的研究团队通过实验首次证实，引领了世界范围内研究无线电能传输的道路，使研究机构开展了更为实用的无线充电技术的研究。2009年美国橡树岭国家实验室就将电动汽车的电池无线传输系统作为众多研究项目中的一项。高通公司也经过多年的发展也在无线充电技术领域取得了重大突破。我国在无线电传输领域有些差距但追赶速度还是很快的。许多企业也推出相应无线充电产品，许多高校及研究院所也分别对无线电能传输技术的理论及应用进行了研究，并也有许多重要突破。

近十几年来，随着对无线电能传输技术研究的不断深入，在许多领域的应用都取得了显著成果。在电子产品方面，无线充电手机、电视及电脑等产品相继推出；在医学应用领域，解决了体内植入设备电池更换困难问题，可对植入式心脏起搏器、除颤器等设备进行无线充电；在交通领域，电动汽车无线电能传输技术的发展有效解决了传统导线式充电所带来的相关问题。

1 系统组成

感应无线充电系统的整体结构组成如图1所示。其结构由三部分组成。第一部分为初级能量变换机构，将电源直流电压再通过高频逆变电路产生高频交流电压；第二部分是能量传输机构，通过交变磁场将能量从发射线圈传递到接收线圈；第三部分为次级能量拾取机构，主要功能是将接收到的交流电通过整流、滤波、稳压转化为直流电给负载供电。而其中，磁感应耦合式无线电能传输系统最为重要。

图1 感应无线能量传输结构构图

磁感应耦合式无线电能传输系统主要是依赖于磁感应及磁耦合，其原边线圈与副边线圈是分离的，由于传输线圈是以空气为介质，其间的耦合系数较小，漏感较大，因而谐振补偿电路十分关键。即在变压器原、副边加入补偿结构，以构成谐振电路来提高系统的传输功率和效率。

2 串联-串联耦合结构

不同于磁路闭合的传统变压器，无线充电系统是以空气为传输介质，磁路是开放的，会存在较大的漏感。为了能够提升系统质量，提高系统传输效率，通常在线圈处串联一个谐振补偿电容，使初级侧与次级侧的线圈实现阻抗匹配，提升系统的传输效率，使系统工作在较好的状态。

本文设计的目标是小功率无线充电系统，SP的耦合结构不适合负载阻值较小的情况。负载较小时，系统效率较低。因此本文选用SS耦合结构作为谐振结构，如图2所示。

图2表示的是SS耦合结构的电路图。Rp、Rs分别为原边内阻与副边内阻。Cp、Cs分别为原边谐振电容与副边谐振电容，I1、I2分别为原边与副边电流有效值，Lp、Ls分别为原边线圈与副边线圈自感值，M为原副边线圈间的互感值，RL为待充电负载。

图2 SS耦合结构示意图

其中原、副边线圈的谐振电容分别为Cp、Cs，Up为高频逆变电路输出电压有效值，根据KVL有：

系统工作在谐振频率时，可简化系统模型：

求解式(2)可得：

在此定义耦合系数：

结合式(3)和(4)可得到系统传输功率和效率的表达式：

系统效率：

在式(5)、(6)中，定义原、副边回路的品质因数分别为：

根据式(5)和式(6)可知，在恒负载时，随着耦合系数k的增加，传输功率先增大，而后慢慢减小。当系统处于谐振状态时S-S型谐振补偿结构中，谐振补偿电容的值只决定于系统的谐振频率和原边传输线圈的电感值，与负载端的参数值无关，因此S-S型谐振补偿系统更符合要求。

3 系统总体结构

为系统输出稳定，抑制干扰，消除偏差，本设计采用闭环结构。将系统输出的电压、电流经采样后，作为输入信号，与提前设定好的给稳态值相比后，得到电压误差值，将此误差输入至PI控制器，得到电压外环输出值，为了防止波动过大影响后续的系统调节，需要将得到的电压外环输出值限制幅值，而后用作电流内环的给定值，给定值与负载端采样的电流信号再作差，得到电流误差信号，经PI控制器后输出至PWM发生器，产生PWM信号，控制高频逆变电路的MOSFET占空比。整体系统主要包括：高频逆变电路、发射和接收端的耦合线圈、整流滤波电路及控制电路四部分。系统主电路设计如图3所示。

图3 闭环系统整体电路图

经比较初级侧逆变电路采用全桥逆变结构，选用MOSFET作为高频逆变电路的开关管，然后使用IR2110作为开关管驱动电路的驱动芯片将控制电路信号进行放大。

耦合线圈采用圆柱式线圈，因为其产生的磁场强度好且分布均匀，有很好的方向性和好的传输距离，传输效率比较高。本文采用的是截面积为2.5mm2无氧铜线绕制的圆柱形密绕螺线圈，其匝数为7，半径为12cm，测量得其电感值为15μH。

次级侧整流选用单相桥式整流电路，考虑2～3倍的裕量，选择肖特基整流二极管1N4007。其参数反向耐压/正向电流/正向压降分别为1000V/1A/≤1V。

4 系统仿真与实验

为验证系统设计的谐振补偿拓扑结构、控制方案的可行性及准确性，需要对系统结构进行模拟仿真，对比不同的控制策略进行分析，为系统的稳定运行与进一步改进奠定基础。根据前文对系统原理的分析和对谐振拓扑结构的分析，根据设计要求，对系统中各部分电路的参数进行设计与仿真，以使系统达到预期的性能。在Simulink平台上搭建系统仿真模型如图4所示，仿真参数如表1所示。

图4 双闭环系统仿真验证

表1 仿真参数设置

闭环系统通过万用表测量负载两端的电压、电流，并传输至闭环PI控制调节系统，设定电压值为4.2V，经过PI环节后，将其幅值限定在0.5，用作电流内环的输入。电流内环经PI参数调节后，限制其最低值为0.1，最高值为0.9，以达到200kHz的频率，然后与三角载波进行比较，高于三角载波时输出高电平，低于三角载波时输出为低电平，由此产生控制高频逆变电路的控制信号。同开环系统相似，闭环系统也在0.05s时断开Breaker负载，其电压、电流波形如图5所示。

图5 输出电压电流波形图

实验平台如图6所示，系统左侧为初级侧，右侧为次级侧，分别使用两块STM32系列单片机来进行控制与数据的传输、处理，使用两块NRF24L01模块用作无线通讯传输实时电压信号，两线圈间距100mm，使用利兹线缠绕。初级侧PCB板包括12V直流电源输入接口、12V驱动电路电源输入接口、两个IR2110驱动电路、四个MOSFET组成的高频逆变电路、谐振补偿电路（包括谐振补偿电容和原边侧线圈接口）。次级侧PCB板包括谐振补偿电路（包括谐振补偿电容和原边侧线圈接口）、四个二级管组成的不可控整流电路、电流采样电路、电压采样电路以及负载。

图6 硬件实验平台

在仿真基础上搭建实物电路进行实验中我们可以测得，在无线电能传输系统，当线圈间距减小时，其输出电压有效增加，进而其效率有显著提高，能更好的传输电能。

5 结语

本文以小型感应式无线充电系统作为研究目标，设计了电池无线充电装置，并对其进行仿真分析与实验验证。系统谐振线圈采用S-S型谐振补偿结构，实现初级侧与次级侧电路间的能量传输，对无线电能传输系统的开环控制策略与闭环控制策略进行了分析，根据理论分析，对系统硬件电路与软件部分进行研究与设计，最后通过仿真与实物实验证明系统符合设计要求。