1、锂电池无线充电系统设计得分： 电力电子技术 大作业 锂电池无线充电系统电路设计姓名：班级：学号：同组人：中国石油大学（华东）日期：2014年12月12日摘要无线充电器运用了一种新型的能量传输技术无线供电技术。该技术使充电器摆脱了线路的限制，实现电器和电源完全分离。在安全性，灵活性等方面显示出比传统充电器更好的优势。在如今科学技术飞速发展的今天，无线充电器显示出了广阔的发展前景。本文设计了一种利用电磁感应原理实现的无线充电装置,重点论述了实现此装置系统的结构和磁耦合方案，及对无线电能传输系统的关键部件耦合变压器的结构进行了详细分析。关键词：无线充电技术；磁耦合；电磁感应；充电器；逆变整流Abst
2、ractWireless 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.
3、In todays rapid 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 coupl
4、ing scheme, 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第1章 引言1.1课题设计的背景和意义 现今几乎所有的电子设备，如手机，MP3和笔记本电脑等进行充电的方式主要是
5、一端连接交流电源,另一端连接便携式电子设备充电电池的有线电能传输。这种方式有很多不利的地方,首先频繁的插拔很容易损坏主板接口,另外不小心也可能带来触电的危险。因此,非接触式感应充电器在上个世纪末期诞生,凭借其携带方便、成本低、无需布线等优势迅速受到各界关注。目前无线充电的技术已经开始在手机中运用。由于无线传输的距离越远，设备的耗能就越高。要实现远距离大功率的无线电磁转换，设备的耗能较高。所以, 实现无线充电的高效率能量传输,是无线充电器普及的首要问题。另一方面要解决的问题是建立统一的标准，使不同型号的无线充电器与不同的电子产品之间能匹配,从而实现无线充电。 我们的生活几乎每天都会有这样一幕幕的
6、场景：拉出一根数据线，连接手机和插座为手机、数码相机、MP3 播放器等充电，完美音质的音响、超清晰超大屏幕的液晶屏电视背后依靠一根长长的电源线面对如此多的“电源线”，有没有想过，有一天这些线全部消失，被一种看不见的传输工具所替代？那样我们就不用再为各种缠绕在一起的电线影响美好的生活。其实这样的生活离我们并不遥远。无线充电技术在 2007 年就已获得了 20 项专利，多种设备可以使用一台充电器1。手机、电脑、音乐播放器、电动工具和其他的用电设备的“剪不断理还乱”的有线充电器将会离我们远去。通过使用线圈之间产生的磁场，神奇的传输电能，电磁耦合技术将会成为连接充电基站和设备的桥梁。在当前的大部分充电
7、器，都通过金属电线直接接触的方式，给设备内置电池充电的情况下，无线充电器显示了它自己先天的优越性。无线充电技术的优势在于便捷性和通用性2。目前缺点就是效率低。现今对便携式电子产品进行充电用的数据线连接器不仅仅可以进行电能的传输，同时还能把音频和视频文件通过USB 接口同步传送到设备上。无线充电技术还是会给 WiFi 和电池技术带来进步的。另外，通过采用无线充电技术，移动设备公共充电站将会有可能成为现实。 近年来，随着新方法新材料的应用，无线充电已经实现。依靠线圈之间的电磁感应的无线充电方式，工作距离短，被充电终端需要放置在充电座上。需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，同时
8、就会自动关闭。 无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相当，但是它应具备充满自动关闭的功能，避免不必要的能耗。1.2无线充电器在国内外的发展现状 无线充电已从梦想成为现实，从概念变成商用产品。早期就有人发现将绕线式变压器的“E”型铁心绕线后接上市电就可以感应传电，但距离略为增加后感应效果就会减弱甚至消失3。这是因为在市电50Hz下，电磁波的传递会随着距离增加而出现能量的快速衰退。随着电子设备产业蓬勃发展，各厂家竞争激烈，纷纷在软硬件上下功夫。然而不同于产品硬件软件升级，无线充电技术在产品的功能层面求异，让人耳目一新，很具有卖点，对消费者也很有吸引力。但是为了充分发挥无线充电的便利性
9、，在较远距离实现充电则更具有卖点。目前的无线充电技术在2.54厘米范围之内的近磁场对电子设备进行无线充电。因为无线电能传输的距离越远，功率的耗损也就会越大，能量传输效率就会越低，且会导致设备的耗能较高。对于“大功率的无线充电设备的电磁辐射会对生物造成很多不利的因素。”的说法，相关专家已给出解释：大功率无线充电的距离限制在5米以内，不会太远，且功率不会达到对人体辐射造成危害的范围。 1.2.1国外发展及现状 最初的无线充电器由多个密集的小型线圈阵列组成，通电后产生的电磁场，将能量传送给装有接收线圈的电子设备，进行充电，但这种充电器传输效率较低、成本较高且需购买套件，又不能对手机使用的大容量锂离子
10、电池进行有效充电。2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了利用电磁感应原理的灯泡无线供电技术，他们可以在一米距离内无线给60瓦的灯泡提供电力,电能传输效率高达75%4。研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电，进而推想只需要安装一个电源，即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，以相同的频率振荡，然后有效的通过磁感应点亮灯泡。 Palm是最早将无线充电技术应用在手机充电器上5。它推出的充电设备“点金石”，就是利用电磁感应原理无线对手机进行充电。日本TDK公司新推出了一款无线充电音箱，用户可以在
11、享受音乐的同时对手机充电。该无线充电音箱的顶部装有一块无线充电板，手机仅需放在音箱顶部即可充电。三星推出新款手机就配备了无线充电器，诺基亚也为其旗舰机型搭上了无线充电器充电器。1.2.2国内发展及现状 国内无线供电器设计起步相对较晚，近年来也得到了蓬勃发展且显出了欣欣向荣的趋势，市面上也出现了众多无线充电产品。从之前在电动牙刷、剃须刀等小功率产品上的应用，发展到现在在手机充电器等方面更大功率的传输的巨大突破性的进展。作为Qi标准组织的一员，海尔在2011年CES上推出了概念性“无尾电视”，不需要电源线、信号线和网线。海尔称该产品采用了与麻省理工学院合作的无线电力传输技术。中国香港的美创公司出品
12、的无线充电器也小有名气（美创科技有限公司是著名的电子元器件独立分销商）。深圳的畅客在无线充电器的发展也崭露头角。第2章 无线充电系统主要原理分析2.1 无线充电技术的原理2.1.1电磁感应电磁感应定律是中学时我们就都接触到的物理理论，它的主要原理是闭合电路的一部分导体在磁场中做切CI IJ磁感线运动时会产生感应电动势，有了电动势就会驱动电子形成电流。这种切割磁力线产生电流的现象就是电磁感应现象。其产生的电流称为感应电流。导体放在变化磁通量中也会产生电动势，这个电动势被称做感应电动势，进而我们可以推理如果将此导体闭合成一个回路，在此电动势的作用下就会在导体内形成电流。其实闭合电路的一段导体在做切
13、割磁力线的运动本质上就是整个闭合导体面积范围内磁通量变化了。我们就是通过这个原理给给线圈一个不断变化的磁通量，线圈中就会产生相应的电流，再将这个电流整流到直流为手机充电。 换句话说无线充电就是一让充电器和被充电设备之间充满磁场，进而利用磁场携带的能量来传输电力。因为充电和手机之间没有直接的接触，线圈中的电流和电压是通过磁场祸合生成的，本质上讲，它是通过一对距离相对较近的相互藕合的电感线圈来实现电和磁的转化的。 十九世纪三十年代法拉第将一个铁芯套上两个电感线圈，对其中一个线圈接入直流电，另一个线圈串联一个电流表，实验得到的现象是如果接通直流电的线圈在开关通断的情况下，另一个接电流表的线圈中就会产
14、生电流，这种电流是随着开关通断而瞬时产生的。实验还发现，当他把铁芯取出后，这种现象依然发生。区别只是，有铁芯比没有铁芯所产生的电流不一样，有铁芯比没有铁芯能得到更大的瞬时电流。为了深入研究这种奇怪的现象，他又做了很多的实验，之后他向皇家学会提交了关于这种奇怪现象的报告，在报告中他把此种发现的现象日i做电磁感应现象，他在报告中总结了一共五种一可以产生感应电流的情况，即当有变化的磁场、变化的电流、运动的磁铁、运动的恒定电流、以及在磁场中运动的导体时，都能产生电磁感应想象，它的这个研究为日后科学家们建立完整的电磁理论奠定了坚实的基础。 以下是感生电动势的计算公式: En/t (式2-1)其中E是我们
15、所说的感生电动势，单位是伏V， n代表着感应线圈的圈数，而八中/t 反映是磁通量的变化速度。 磁通量= Bs(式2-2 )其中 代表着磁通量单位是韦伯，B是在均匀磁场环境下的磁感应强度，S代表面积。 感应电流的流动方向可以判断感生电动势的正负，对于电源本身来说，电流的是从负极向正极流动的。 自感电动势En/t =Li/t（式2-3 )其中L被称做自感系数单位是亨，在实际洁况中，线圈中如果没有铁芯结构的话要比有铁芯要小，vi代表电流的变化，vt为时间，而vi / vt的物理合义则可以很直观的推出是自感电流的变化速率。2.1.2感应电动势 以下给出两个线圈的模式和近似公式，如图2-1所示，线圈1集
16、成在无线充电器端，线圈2集成在在手机端，充电器端的线圈一般情况下要比手机端的线圈要大，图中;1为线圈1的半径，r2为线圈2的半径，线圈1有n1匝，线圈2有n2匝，d为两个线圈间的距离，给线圈1施加I Sln CUt)的正弦电流，则线圈2处的磁感应强度可以近似为:2.2无线供电技术的实现方式无线供电技术主要有三种实现形式，因此原理也不尽相同，这里分别简要介绍：2.2.1近场耦合式这一形式通过近场电磁感应实现电能传输，是当前工程领域中最为可行的电能传输方式，其通过将交变电流在原线圈产生的电磁场耦合到副线圈上，实现无线供电。这种形式传输距离非常近（一般小于5mm），主要应用于便携式消费电子产品、医疗
17、非接触式产品、无线充电等。 2.2.2磁场共振式这一形式通过非辐射磁场内两线圈的共振效应实现中距离的无线供电（供电距离一般不超过1m）。2.2.3微波辐射式这一方式通过电波的形式在远场范围内采用定向天线或高质量的平行激光束实现远距离供电（一般认为最远可实现3.6万km），在发射端将电能转化为射频功率并以可控、低损的方式将其以微波形式辐射出去，在接收端则利用整流天线等装置将微波能量转换为直流或交流电能。这一形式主要用于卫星、太阳能发电的传输系统等。2.3 无线充电电路模型 本文研究锂电池无线充电系统，所以选用近场耦合式无线充电技术。原理图如下：2.4 耦合性能分析及功率补偿在功率因数较小的无线充
18、电系统中，接收端部分要获得足够多的有用功率时，发射端就要提供更大的功率，这会增加了发射端电路的负担和损耗。为了改善回路的性能，提高系统的功率因数，需要对系统添加无功补偿，从而提高电能的传输效率。加入补偿电容，能够提高系统的电能传输能力，且当系统处于谐振状态时输出的功率最大。2.5 本章小结通过对本章电路模型的分析，能够为实际电路功能设计和元件选取提供指导方向。第3章 无线充电系统设计此款锂电池无线充电系统包括两个部分：第一部分无线电能发射模块，第二部分无线电能接收模块。在工作时，发射部分首先将直流电（通过外部适配器获得）送入逆变电路，将其转化为所需频率的交流电，再通过线圈将其能量发射出去；接收
19、部分通过电磁感应耦合接收该交流电，并将其整流、滤波，然后稳压输出 5V 给便携式设备中的锂电池。系统通过MCU 来检测发射部分的电流和电压参数，通过改变 PWM 输出频率实现对传输电能大小的控制。此款无线充电系统能够在电能传输过程中时刻检测电流、电压等反馈信号，从而控制系统在安全的范围工作。系统框图如图 3.1 所示：3.1 电能发射模块电路设计3.1.1 整流滤波电路 对于无线电能传输的接收端线圈的整流变换电路结构如图所示。其工作原理与前文的整流滤波电路相同，同样采用单相桥式整流电路，后接滤波电容。利用二极管的单向导通特性，用四个相同的二极管排列成桥式结构，达到将交流电转换为直流电的目的。3
20、.1.2 电压型全桥逆变电路本文无线充电系统中采用的是电压型逆变电路结构，其结构有以下几个特点：（1）直流侧的电压基本无脉动，回路阻抗低。（2）直流电压源有钳位作用，交流输出端的电压波形为矩形波，负载的电流波形近似为正弦波。（3）直流侧电容起到无功能量缓冲的作用。因此需要在逆变器各臂并联反馈二极管，给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。电压型全桥逆变电路如图 3.2 所示：在分析电路时，电阻和电感 可以看做一个整体，作为全桥电路的负载。图V1V4是全桥电路的4个臂，采用NMOS器件。当开关管V1、V4 导通时，V2、V3截止，负载U的电压为正：当开关管V1、V4截止时，V2、V3导通，负载的
21、电压为负。负载端的电压波形和电流如图3.3 所示：这样就把直流电转化成了交流电，通过改变两组 NMOS 开关管工作频率，即可控制输出交流电的频率。3.1.3 信号检测与保护电路在无线充电系统中，接收模块的输出功率变化会对发射模块中逆变器的品质因Q带来很大的影响。例如在充电的过程中，当接收模块远离发射模块时，接收线圈到发射线圈的反映阻抗就会变小，从而使得逆变器中的电流急剧上升，容易导致初级感应线圈电流达到饱和，开关器件受到损坏。此时需要调整逆变器的工作频率使之远离自身的谐振频率，从而增大回路阻抗把电流降到安全的范围内。当接收模块又再次接近发射模块时，逆变器的工作频率应能做相应的调整，使其接近于谐
22、振状态，提高电能的传输能力。要完成以上功能需要对初级线圈的电压和电流进行检测。3.1.2.1 电压取样电路系统通过电压取样电路采集发射线圈电压大小的变化，作为控制电路的反馈信号。电压取样电路如图 3.4 所示：3.1.2.2 电流取样电路发射模块空载的时候，图3.5中的 I-SIGN2 端的电压很小。当接收线圈靠近发射线圈的时候，逆变器中的电流会增大。因此通过检测 I-SIGN2 端的电压，单片机可以判断发射线圈与接收线圈之间是否有能量传输。电流取样电路如图3.5所示：3.2 电能接收模块电路设计3.2.1 整流与稳压电路电能接收模块通过接收线圈，将变换的磁场能转换为交流的电能。如果单靠接收线
23、圈来接收能量，会使无线充电系统的电能传输效率变低，因此接收线圈也需要进行电容补偿。系统中采用的 LC 串联补偿方法。无线电能接收模块电路如图 3.5 所示：接收线圈两端输出电能是交流电形式，因此需要经过一个整流电路将交流变为直流。图中采用的是桥式整流结构。当线圈输出电压为正半周时，二极管D2和D3导通，D1和D4截止；当线圈输出电压为负半周时，D1和D4导通，二极管D2和D3截止。因此输出电压在一整个周期内都有电流流过负载，并且电流方向相同，从而使得接收线圈输出电压的直流成分得到提高。3.2.2 接收端锂电池充电电路无线接收端的锂电池充电模块选用 TP4056 芯片，此款芯片采用线性充电方式原
24、理。TP4056 的最大充电电流为1A，它所需要的外部元件较少，不需要额外添加电容、电感等元件，因此可以让无线接收模块的体积变得更小。TP4056的电路如图3.6所示:3.3 控制电路设计 控制电路在整个系统中起着重要作用，它根据电压和电流检测电路提供的采样数据，判断电池的状态，合理的控制电源充电电路，保证电池在正常的充电状态下使电池性能和充电速度达到优化。 本文采用STM32处理器作为动力埋离子电池组快速充电装置的控制器，功能强大，速度快，功耗低，线路简单可靠，程序采用C语言编译。图3. 24为电路的控制框图。A/D转换接口1和接口2分别接收电压电测电路和电流检测电路检测到的电压值和电流值，
25、并根据所采样值的大小分析电池组应处于何种状态，并控制各个开关管的导通和截止状态，实现对整个电路的充电状态的控制。3.4 本章小结本章分析了锂电池无线充电系统中发射模块和接收模块的电路结构，并给出了相应的电路图。在发射模块电路设计中主要介绍了全桥逆变电路的工作状态，在接收模块电路设计中主要介绍了全桥整流电路以及基于 TP4056 锂电池充电电路。本章还重点介绍了系统的设计思路及各个模块的电路图，本文设计的思路是:采用变电流电压脉冲充电方法对电池组进行充电，通过检测电路检测电池组的单体电池电压、充电电流，并将检测结果转变成数字信号反馈给STM32处理器，处理器根据当前埋离子电池组的充电情况，通过调
26、整PWM控制器的占空比，控制开关器件的导通与关断，通过驱动电路实现对充电电路和检测电路工作状态的调整，从而完成对埋离子电池组的充电监控过程。本章还描述了设计中需要用到的核心器件及芯片的功能用途和工作原理:MOS管是一种电压驱动控制型电力半导体开关器件，在本设计中作为电路中的开关使用，按一定的规律，周期性地、实时地控制开关器件的通、断状态，实现电池充电状态的变换和控制，并在电压检测电路中用于实现单体电池的电压检测;GE3011开关管驱动芯片接收了控制系统较弱的控制信号后，给MOS开关管控制极提供了较大的驱动值，开关管就会导通了;三端稳压芯片TL431利用其基准特性，应用与电路中形成恒流电路，输出
27、恒定电流;电流检测芯片MAX472用于检测电池组的电流值，并将采样的电流值输送至控制芯片中;微控制器STM32F103VE用于控制整个系统的运行，在电路中其重要作用，该芯片具有高性能、低功耗、实时应用、低电压、高性价比等特点，对功能和成本敏感的嵌入式应用能够实现较高的系统性能。第4章 总结与展望 无线充电技术虽然简单便捷，但是其硬伤在于缓慢的充电速度，2014年飞思卡尔发布的新技术将无线充电功率从目前最高5W提升到了15W，这将极大缩短充电所需时间，并且该技术还兼容业界其他无线充电模块，搭载该项新技术的设备最快将于2015年下半年问世。无线充电效率目前可以达到的是65%，虽然在现阶段对于无线充
28、电来说已经不算低，但是对比有线充电来说还有一定差距。随着技术的不断发展和进化，比如说线圈材料的创新，技术的改善，定位技术的进一步改良，无线充电的效率将会进一步提高。再次回顾近些年手机的发展历程，高性能的手机不断涌现，尤其是智能手机的快速发展和兴起，手机配备的电池越来越大，这样对于无线充电来说，需要传输的电量一也越来越大，如果要满足更高的电能传输，需要更大的线圈，这都给设计会造成一定的影响，还有如何在短时间内己很高的效的把大量电能传输给手杉L端电池会持续挑战我们的技术能力。参考文献1姜立中 无线充电实验J.2008,2326.10沈尚贤.西安交通大学电子学教研室编.电子技术导论.北京：高等教育出
29、版社，1985年2KJ宾斯,PJ劳伦松. 电场及磁场问题的分析与计算M.北京:人民教育出版社,1980.3杨肃行.模拟电子技术基础简明教程M.第3版.北京:高等教育出版社,2005.5罗中华. 模拟应用期刊J.2012(4):46.4张植 保变压器原理与应用化学工业出版社2009.15阎石 数字电路技术基础高等教育出版社第五版2006.56谢树艺 矢量分析与场论高等教育出版社2005.47何此昂 周渡海变压器与电感器设计方法及应用实例8曾海涛 感应式充电技术在便携式密封设备中的应用J;电子质量;2011年09期9李敏 无线传能充电器设计J;黄冈职业技术学院学报;2009年02期10黄洁琳 章磊;无线充电器的设计J;山西电子技术;2009年03期11朱美杰 感应式无线充电技术的研究D;南京信息工程大学;2012年
