一種非接觸充電裝置研究

黃淑華，李廣榮

（1.山東天柱建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，山東　聊城　252000；2.山東聊城市市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)所，山東　聊城　252000）

一種非接觸充電裝置研究

黃淑華1，李廣榮2

（1.山東天柱建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，山東聊城252000；2.山東聊城市市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)所，山東聊城252000）

提出一種充電裝置，采用非接觸方法實(shí)現(xiàn)電能供給。為了提高裝置的傳輸效率，發(fā)射裝置采用LLC諧振電路，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的方式進(jìn)行功率控制。接收裝置采用RLC串聯(lián)諧振電路，通過(guò)調(diào)整固有頻率與發(fā)射裝置的激磁頻率相同，產(chǎn)生電磁共振的方式來(lái)增大接收功率和效率。

非接觸充電；功率控制；電磁共振

1　非接觸充電技術(shù)概述

電器設(shè)備中的蓄電池一般是通過(guò)充電機(jī)（器）和插頭、插座等接口的物理連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如在市政道路巡視中經(jīng)常使用的電動(dòng)交通工具，在變電站廣泛使用的巡檢機(jī)器人等，存在電能補(bǔ)充困難，安全性低，或需要機(jī)器人自主定位和插拔等問題，增加系統(tǒng)難度和成本，連接線路容易受到污物腐蝕，使得系統(tǒng)安全性、可靠性及使用壽命降低，引發(fā)事故。采用非接觸充電技術(shù)可以克服傳統(tǒng)接觸式充電的一些缺陷，避免機(jī)械磨損，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

廣義地說(shuō)，終端用電設(shè)備通過(guò)非接觸方式獲取電能的過(guò)程就叫非接觸供電，非接觸供電裝置就是一套通過(guò)非接觸方式傳輸電能或?qū)⑵渌芰哭D(zhuǎn)化為電能的裝置。非接觸供電的方式有多種，所有攜帶能量的物質(zhì)形式都有可能用來(lái)非接觸供電，如電磁感應(yīng)、電磁共振、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、潮汐發(fā)電、微波供電、激光供電、遠(yuǎn)紅外供電等。風(fēng)電、太陽(yáng)能、潮汐等發(fā)電方式因設(shè)備復(fù)雜，體積龐大，技術(shù)成熟度等原因不適合直接與終端設(shè)備整合成一體，如太陽(yáng)能汽車，受光照能量密度、裝換效率低，光照變化情況較大的制約，很難從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。以微波和激光為媒介的非接觸供電在某些方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對(duì)生物產(chǎn)生影響，通常不適于民用。

狹義地說(shuō)，通常我們把以電磁感應(yīng)和電磁共振為基礎(chǔ)的非接觸供電方式叫做非接觸供電，其基本原理是通過(guò)一次側(cè)能量發(fā)射線圈與二次側(cè)能量接收線圈將電能經(jīng)過(guò)整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備。電能傳輸經(jīng)歷了二次轉(zhuǎn)換，即發(fā)射部分將電能轉(zhuǎn)化為磁能，然后由接收部分將磁能轉(zhuǎn)化為電能。電磁感應(yīng)的接收線圈通過(guò)磁芯的耦合從一次側(cè)獲取電能；而電磁共振則是調(diào)節(jié)接收端的諧振頻率與發(fā)射端的諧振頻率相一致，在兩端線圈間產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，現(xiàn)在大部分非接觸供電都是基于這兩種方式實(shí)現(xiàn)的。

圖1　變電站巡檢機(jī)器人非接觸充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　變電站巡檢機(jī)器人非接觸充電裝置

2.1基本思路和系統(tǒng)原理

變電站巡檢機(jī)器人非接觸充電系統(tǒng)利用電磁共振理論實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以發(fā)射模塊和接收模塊為分界點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，能量由交流電網(wǎng)工頻輸入，經(jīng)整流濾波成為直流，并經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正（APFC），通過(guò)高頻逆變單元給發(fā)射模塊提供高頻交變電流。接收模塊與發(fā)射模塊組成了松耦合可分離變壓器，調(diào)整接收裝置的諧振頻率與發(fā)射裝置的激磁頻率相同，可增加電能傳輸容量。電能經(jīng)過(guò)高頻整流和濾波穩(wěn)壓后提供給電池充電。接收模塊和發(fā)射模塊之間通過(guò)無(wú)線通訊單元對(duì)能量變換進(jìn)行檢測(cè)和控制。發(fā)射模塊和接收模塊從空間上是分離的，這與傳統(tǒng)開關(guān)電源中的變壓器有很大不同。

變電站巡檢機(jī)器人車載部分包括接收模塊和整流裝置，而發(fā)射模塊和發(fā)射主機(jī)均在外部，能量傳輸?shù)陌l(fā)射模塊和接收模塊可分離，電能實(shí)現(xiàn)非接觸傳輸，大大降低對(duì)機(jī)器人充電定位準(zhǔn)確性的要求，避免了機(jī)械磨損，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性能，簡(jiǎn)化了機(jī)器人系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)組成

如圖1所示，變電站巡檢機(jī)器人非接觸充電系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：發(fā)射主機(jī)、發(fā)射模塊、接收模塊、高頻整流裝置。其中發(fā)射主機(jī)包括EMS電路、有源功率因數(shù)校正電路（APFC）、高頻逆變電路和控制、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、無(wú)線通訊電路等，發(fā)射和接收模塊主要是線圈和磁芯，整流裝置包括高頻整流、濾波穩(wěn)壓及控制、檢測(cè)電路等。

發(fā)射裝置主電路采用LLC拓?fù)?，以單片機(jī)L6599和L6561為控制核心，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電感L1、電容C1、MOS管V1、二極管D1、電容C2和控制芯片L6561及驅(qū)動(dòng)電路組成APFC電路，MOS管V2、V3、電容C3、發(fā)射線圈T和半橋諧振控制芯片L6599及驅(qū)動(dòng)電路組成了諧振電路。在APFC電路反常狀態(tài)下，為防止半橋V2、V3電壓、電流、開關(guān)頻率等超出其調(diào)節(jié)范圍，L6561發(fā)送信號(hào)，關(guān)閉諧振；在輕載時(shí)，為防止APFC輸出過(guò)壓，L6599發(fā)送信號(hào)關(guān)閉APFC。

圖2　發(fā)射裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

接收裝置采用帶磁芯的電感與電容、電阻串聯(lián)諧振的方式實(shí)現(xiàn)，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，電感T2、電容C4和電阻R1組成接收模塊并與高頻整流裝置的等效電阻、三極管V4一起組成RLC串聯(lián)諧振電路，通過(guò)調(diào)整三極管基極電流可以調(diào)整RLC串聯(lián)電路固有頻率接近發(fā)射裝置的激磁頻率，以增加電能傳輸容量和效率。

圖3　接收裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3功率控制

假設(shè)各功率開關(guān)均為理想器件，則APFC高頻逆變和高頻整流可簡(jiǎn)化為1個(gè)方波電壓源，該電壓源的頻率為功率開關(guān)的開關(guān)頻率。接收裝置對(duì)發(fā)射裝置的負(fù)載效應(yīng)等效為1個(gè)電阻，可分離變壓器磁阻較大，即使在接收裝置固有頻率和發(fā)射裝置激磁頻率相同的情況下，能量傳輸仍然受到很大的限制，因此在分析中整個(gè)接收充電裝置可用一個(gè)較大的電阻Req等效。發(fā)射模塊，即可分離變壓器的一次側(cè)和諧振電容可簡(jiǎn)化為漏感Ls、激磁電感Lm和諧振電容Cs串聯(lián)的等效電路，同樣由于可分離變壓器的磁阻較大，激磁電感Lm很小。則發(fā)射主機(jī)和發(fā)射模塊可簡(jiǎn)化為如圖4所示的等效電路。

圖4　發(fā)射主機(jī)和發(fā)射模塊等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律，可以得電源的輸出電流為

當(dāng)電路參數(shù)確定之后，Is可見電流是確定的，因此電源可以等效為1個(gè)電流源，功率控制即可轉(zhuǎn)化為電壓控制。

電路的傳遞函數(shù)為

調(diào)整開關(guān)管V2、V3的開關(guān)頻率即，此時(shí)，電路發(fā)生諧振，發(fā)送裝置的發(fā)送功率最大，從式（3）可見調(diào)整開關(guān)頻率即可以調(diào)整傳遞函數(shù)，從而調(diào)整發(fā)送裝置的發(fā)送功率。

接收裝置的接收功率取決于接收裝置對(duì)發(fā)射裝置的負(fù)載等效系數(shù)，而電路參數(shù)、硬件電路和發(fā)射模塊與接收模塊間介質(zhì)一旦確定，負(fù)載等效系數(shù)就僅僅受到發(fā)射線圈和接收線圈的相對(duì)位置和接收模塊固有頻率的影響。接收模塊的固有頻率與發(fā)射模塊開關(guān)頻率相同，并且同步變化，可最大限度地接收發(fā)送功率。

接收裝置調(diào)整管V4和電阻R1可以用一個(gè)可變電阻R來(lái)等效，整流輸出和負(fù)載可以用一個(gè)輸出電阻R0來(lái)等效，則接收裝置可等效為如圖5所示的電路。

圖5　接收裝置等效電路

回路阻抗為：

3　裝置試驗(yàn)

設(shè)計(jì)變電站巡檢機(jī)器人非接觸充電裝置，其輸入為交流220 V，輸出電壓為直流24 V，電流2 A。

處于諧振的條件下，影響充電裝置電能傳輸效率的主要因素有諧振頻率和可分離變壓器的耦合系數(shù)。在電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定的情況下，諧振頻率對(duì)傳輸效率和容量的影響極其顯著。升高充電裝置的諧振頻率對(duì)提高電能的傳輸容量和效率是有益的。但過(guò)高的電路變換頻率會(huì)大幅增加裝置的設(shè)計(jì)難度和成本。結(jié)合LLC電路成熟應(yīng)用的工作頻率，此處選擇LLC電路諧振網(wǎng)絡(luò)的固有頻率為200 kHz，MOS管的開關(guān)頻率采用過(guò)諧振的方式，開關(guān)頻率控制在200～250 kHz。

將該裝置發(fā)射和接收模塊對(duì)正，距離約2 cm，分別在0.5 A和2 A負(fù)載電流下測(cè)得發(fā)射裝置MOS管驅(qū)動(dòng)、發(fā)射線圈端電壓、接收線圈端電壓、整流輸出端電壓的波形如圖6所示。

圖6　負(fù)載試驗(yàn)波形

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在空載的情況下，整套裝置處于間歇工作狀態(tài)，工作時(shí)的開關(guān)頻率接近250 kHz，在0.5 A負(fù)載時(shí)開關(guān)頻率約為226 kHz，在2 A負(fù)載時(shí)開關(guān)頻率約為208 kHz。滿載情況下測(cè)量得整機(jī)效率約為81.5%。

4　結(jié)語(yǔ)

裝置。為提高裝置的傳輸效率，發(fā)射裝置采用LLC諧振電路，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的方式進(jìn)行功率控制；接收裝置采用RLC串聯(lián)諧振電路，通過(guò)調(diào)整固有頻率與發(fā)射裝置的激磁頻率相同，產(chǎn)生電磁共振的方式來(lái)增大接收功率和效率。這種裝置接收和發(fā)射在物理上是分開的，中間是空氣和非金屬機(jī)殼，實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸傳輸。這種裝置和技術(shù)可以在電動(dòng)交通工具、變電站巡檢機(jī)器人等裝置上應(yīng)用，可以降低觸電風(fēng)險(xiǎn)，減少機(jī)械磨損，提高設(shè)備的安全性和可靠性。

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研究一種采用非接觸方法實(shí)現(xiàn)電能供給的充電

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

黃淑華（1978），女，工程師，從事工程監(jiān)理相關(guān)工作；

李廣榮（1972），女，經(jīng)濟(jì)師，從事市政道路工程相關(guān)工作。