感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究毕业论文(编辑修改稿)

感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

...................................................................................................................... 78 1 绪论 课题研宄的背景及意义 电能的生产使用与当今人类社会的发展息息相关 ， 已经成为人们生产生活不可或缺的 能量形式。 随着电力电子技术的飞速进步，电能的输送、分配和使用也在发生着日新月异 的变化 ， 但总体 而言，在世界范围内，电能的输送仍是采用导线传导的电气连接这一传统 输电模式。 尤其在用电领域，更是通过开关、插座等装置在电源和用电设备之间构成完整 的导体回路来使用电能。 这就使得接触火花、碳积、机械磨损等问题不可避免，在一些特 殊场合，比如化工、矿井、水下环境中，开关电弧、摩擦火花等足以引发安全事故 [13]。 在医疗领域，随着人工心脏等人工器官的成功植入，在体外对器官电池的充电，也对传统 电能传输方式提出了挑战。 近年来 ， 越来越多的电子产品走进了我们的生活，随着智能手机的普及， iphone、 ipad、 mp3等更是随身携带，相关的电能供应，即充电问题都是通过电线插头连接插座来进行的。 错综复杂的电线既影响了电器移动的灵活性，又破坏了环境的美观。 基于上述情形 ， 灵活、 安全、便利的无线电能传输技术的应用愈发显得迫切和紧要。 事实上，早在 1897 年，著名物理学家 Nikola Tesla就已经提出无线电能传输理论，目 前世界各地都仍有特斯拉线圈的爱好者。 根据无线电能传输原理，无线电能传输方式可分 为三类：感应耦合无线电能传输、磁谐振耦合无线电能传输和微波无线电能传输。 这三种 基于不同原理的技术在传输距离上分别对应着近 、中和远距离。 微波能量传输要求发射器 必须对准接收器，受到严格的方向性限制，并且易受大气等周围介质的影响导致衰减较大， 不能高效穿越障碍物，所以该技术只适用于空旷空间的远距离能量传输。 磁谐振式是 2020 年 MIT 的Soljacic 教授首次提出的，是利用两个具有相同谐振频率的电磁系统，在相距一 定的距离时，由于电磁耦合产生谐振，进行能量传输 [4】。 磁谐振式目前仍处于理论探索阶 段，不是本文研宄的重点。 感应耦合式主要基于电磁感应耦合原理，采用可分离变压器或 者互感线圈来实现电能的无线传输。 感应式原理简单，近距离 传输效率可高达 99%[4】 ，传 输距离在厘米量级间。 随着传输距离的增大，效率急剧下降。 所以，感应式无线电能传输 多用于近距离无接触充电场合，从便携电子设备的锂电池到大型轨道机车的蓄电池，功率 从几毫瓦到几十瓦、几百千瓦不等 [5]。 本文的研究方向集中在感应耦合无线电能传输方式， 文中提及的无接触电能传输 ，如无特殊说明，一般均指感应耦合式。 本课题 多负载感应稱合式锂电池无线充电平台的设计研宄 便是基于这一研宄背景来展开的。 2020 年，世界无线充电联盟首次公布了低功率无线充电的行业标准 版本[6]。 随着 搭载 Android、 ios 操作系统的智能机的全面普及，便携电子设备的无线充电 已经酝酿在即，谷歌、苹果、三星等公司均已经发布新产品无线充电蓝图。 本课题的研究 工作，顺应科技发展趋势，立足科技变革前沿，具有实际意义。 国内外研究现状 国外研宄现状 国外对无线电能传输 （ Wireless Power Transfer)的研宄起步较早，大功率（几千瓦到 几百千瓦）多应用于轨道交通、电动汽车的无接触实时供电场合，中小功率（几十毫瓦到 几百瓦 ）多应用于医疗、家电和便携电子设备的无线充电领域 [5]。 就微 波无线电能传输而言， 1987 年，加拿大研制的 SHARP 模型依靠 能量束，在离地面 150米高度飞行 20 分钟。 1992 年，日本研制的 MILAX 飞机依靠 ,发射功率为 lkW 的微波能量束，在离地面高度为 15米处成功飞行 40秒。 日 本计划在 2020 年建造试验型太空太阳能发电站，美国也准各在国际空间站上采用 C 波段 频率进行微波无线电能传输试验测试 【 4】。 2020年， MIT的 Soljacic教授领导的团队成功点亮了一个 60W的灯泡，能量发送端 与接收端相距 2 米，能量传输效率为 40%到 50%,距离为 1 米时效率可达 90%[4】。 2020 年 MIT宣布通过磁谐振耦合电能传输的功率已经达到 3300W， 日本富士通公司利用磁谐 振无线电能传输技术实现为一个以上的设备供电 [4]。 相比而言，感应稱合电能传输 （ Inductive Power Transfer)的研宄和应用最为广泛 [3】。 20世纪 90 年代，新西兰奥克兰大学的 Boys 教授率先提出这一技术，并将之应用在大功 率的轨道交通供电领域，一个是高速公路发光分道猫眼系统 ， 运行于新西兰惠灵顿大隧道 中；另一个是用于 Rotorua 国家地热公园 30kW 载人 电动游览车，满载时效率达到 75%。 德国WAMPELER 公司的 200kW 载人电动列车已经试车成功 ， 轨道长度 400m， 气隙 120mm， 传输效率达到 85176。 /。 ，是目前为止世界上建造的最大的无接触供电系统之一。 该公 司还将无接触供电技术应用于电动游船的水下驱动装置 [7】。 此外，日本大阪 DAIFUKU 公 司开发的单轨行车和自动运货车已成功用于许多材料运输系统中，特别是在一些恶劣的环 境下， 如矿井、喷漆车间等。 美国通用汽车子公司 Delco Electronics 研制的 MagneCharge TM 是最先商业化的电动 汽车无接触供电系统之一，获得了很好的应用前景 [7】。 国外对感应耦合电能传输的理论研究己非常成熟，系统化，研究热点集中在原副边电路的拓扑结构及可分离变压的设计方面。 国外的理论研究偏重于实用化，目前感应耦合的 应用多为中、大功率有轨电车的实时供电 ， 所以国外的相关研宄文献大都是针对电力机车 的应用背景展开的。 文献 [19]分析了双负载时 SS、 SP 补偿下系统等效电路 ， 推导了传输 效率与工作频率的关系。 文献 [20]建立了双边控制的电路拓扑结构，详细分析了原边高频 逆变器的工作方式，副边采用 PWM 控制方式，制作出。 文献 [21]重点 分析了可分离线圈的设计，原边为 9 线圈阵列，副边为单独线圈。 在中小功率应用方面 ， 主要是集中于消费类电子设备的无线充电，能量发射线圈安装 在充电平台中，能量接收线圈集成在手机等电子设备终端。 当充电平台中流过交流电流时， 通过电磁感应，能量从原边线圈传递到副边线圈，实现了电子设备的无线充电。 这种充电 方式不仅彻底摆脱了充电器线缆的束缚，而且省去充电接口，一举解决接口漏电、接触不 良、防水以及不同设备充电接口不统一问题 [8]。 国外对充电平台的研宄文献相对较少，所 涉及的理论与大功 率充电电路理论一致，关于无线充电的研宄多见于一些研宄机构和公 司，都有相关研究成果发表问世。 曰本 Seiko Epson与村田制作所共同开发的无线快速充电系统，传输功率为 12W,效 率为70%。 其 2020 年研发的产品体积缩小为 07 年的 1/4 左右，目前己有 无线充电 模块用在手机中，可提供 5V/500mA电力，具有误充电金属检测功能、温度检测功能和 ID 识别功能等[8】 ， 如下图 所示。 图 精工爱普生无线充电产品示例（来源：精工爱普生） 美国 Palm 公司 2020 年上市的 Palm Pre 手机配有一款电磁感应无线充电底座 Touchstone,充电底座中放置有磁芯，配置的手机后盖中有能量接收线圈。 当把手机放在 充电底座上时 ， 能量就传递到了手机中 [8]，如下图 所示。 图 美国 Palm 公司无线充电手机产品 Palm Pre (来源 ： Palm) 以色列 Powermat 公司 在面向新闻界举行的 CES 2020 会前发布会上，公开演示了该公 司的非接触充电系统。 不久之后将上市用于手机、智能电话、便携式游戏终端及个人电脑 的非接触充电产品。 该公司声称此产品电力传输效率高达 93176。 /。 ，与接触式相比 ， 可以实现 快速充电。 而且，在电磁耦合中采用 RFID技术来识别电力传输目标，可防止因误加热适 配器以外的金属等而发生危险 [8】。 此外，适配器可根据各终端的种类改变性能指标 ， 以应 对因终端不同而异的供电电压、电流及极性，因此还可用于壁挂电视、照明装置及扬声器 等用途。 该公司产品展示如下图 所 示。 图 以色列 Powermat 公司无接触充电系统（来源 ： Powermat) 美国硅谷的风险公司 Mojo Mobility开发的 NFP (Near Field Power),目前的试制品可 供应〜 4W的电力 ， 可同时给手机、耳机及便携音乐播放器等 4台便携设备充电，送 电时的效率包括周边电路在内可确保 70%以上。 该技术将能量发射线圈制成 PCB线圈嵌 入印刷电路底板 [8]，使用一枚薄板减薄 了传输电力的线圈部分 ， 可以嵌入手机等薄型设备 , 还能制成像鼠标垫般的薄板状充电台。 公司设想将受电线圈嵌入锂离子充电电池的封装 中，使控制电路单芯片化 ， 以及在设备的电源管理 IC (Power Management 1C)中嵌入非 接触充电控制电路。 产品展 示如下图 所示。 2020 年底成立了无线充电联盟 （ WPC),诺基亚、三星、德州仪器、飞利浦、美国国 家半导体等世界知名公司均已加盟， 2020 年制定出 Qi标准 [6]，已有认证产品问世。 2020 年 5 月高通找上三星及 SKTele， 组成无线充电同盟 （ AFWP)， 成为 WPA的主要竞争 对手。 另外苹果公司也有意推动自家标准，无线充电协议标准进入多元竞争的格局。 据有 关部门预计，至2020 年，全球无线电能传输市场保守估计将达到 180 亿美元 ， 如下图 所示。 图 美国 Mojo Mobility 公司的 NPF 产品展示（来源 ： Mojo Mobility) 英国 Splashpower 公司 同样发布了这样一款真正意义上的无线充电器，外形就像一个 鼠标垫 ， 只需要把要充电的设备放在上面就可以开始充电 [8]，而且可以同时对多个设备充 电，如下图 所示。 另外一家名为 WildCharge 的公司也开发出了类似的产品 [8]。 图 英国 Splashpower 公司产品展示（来源 ： Splashpower) 图 无线充电市场前景（来源 ： iSuppli) 5 国内研宄现状 中国大陆地区对无线电能传输的研宄起步比较晚，目前仍主要集中在理论研宄上。 国 内一些高校，已有大量的理论研宄成果相继发表。 如西安交通大学、浙江大学、重庆大学、 南京航空航天大学以及中科院电工 所等。 国内的研究集中在原副边电路拓扑、补偿网络分 析、可分离变压器性能分析、系统稳定性分析等方面，在实验室条件下制作中小功率样机 , 但尚未见到相关的成熟产品和应用投入市场 [5】。 相比而言，香港、台湾地区对无线电能传输的研宄更倾向于实用化。 香港城市大学许 树源教授研宄小组研制成功的 “非接触电池充电平台 ”可同时对数个不同类型的电子产品 充电 [5]，如下图 所示。 香港理工大学的王军华博士对感应耦合无线电能传输和磁谐振耦合无线电能传输进 行了对比研究。 他们设计出了对称型平面谐振器进行试验，谐振频率为 ， 在发射 谐振器和接受谐振器相距 20cm 时，传输效率为 46%。 利用感应耦合无线电能传输方式实 现相同的 传输效率，最远传输距离为 [4】。 台湾地区对无线电能传输的研宄同样卓有成效，有学者发文基于 LC 串联谐振理论 ， 提出了锁相环控制的经皮能量传输系统，采用无芯线圈，在原边进行串联补偿 ， 工作频率 范围在 173kHz〜 183kHz。 通过采样原边电流来进行锁相控制 ， 使得在 3〜 4mm 的传输距离 内，输出电压维持 4V不变 [5]。 有学者 [9]提出以 PCB螺旋线圈为能量传输装置，采用并联 补偿，副边添加充电管理芯片，提供。 也有学者 _制作了微 型化电车，采用无接触供电方式，原边无芯线 圈作为导轨，副边采用 E型铁心线圈，工作 时在原边导轨上滑动，驱动电车在模拟轨道上行驶，效率为 50%[5]。 企业方面，值得一提的是 ， 无线充电联盟成立于 2020 年 12 月 17日，其使命是为了 促进市场广泛釆用国际无线充电标准 Qi。 截止 2020 年 9 月， WPC拥有来自行业各个细分 市场的96 个成员 ， 深圳桑菲消费通信有限公司为联盟发起单位之一，积极参与了 Qi 的制 图 — 站式充电平台同时给多个设备充电（来源 ： cityU) 定工作，现为联盟 10家常务理事成员中唯 家中国企业 [6】。 2020 年 9月， WPC在北京 宣布将 Qi 无线充电国际标准率先引入中国。 在 2020 年无线充电技术国 际标准体验会上， 桑菲、海尔等中国企业向大家展示了集成应用 Qi 标准的电子产品。 桑菲公司推出的智能 手机无线充电如下图 所示。 2020 年，海尔采用 MIT的无线电能传输专利开发出全球 首款无尾电视，电视的通信信号和电力供应均采用无线方式进行供给，实现了高清电视的 真正。