无线充电电路设计与实践

在第十四届全国大学生智能汽车竞赛节能组比赛中,要求节能组参赛车模通过无线电磁感应方式从赛道发车区内的无线充电线圈中获取电能,存储在车模中的法拉储能电容内,为车模运行电机和控制电路提供电源。小功率无线充电常采用电磁感应式,如对手机充电的方式。大功率无线充电常采用谐振式由供电设备(充电器)将能量传送至用电装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其自身运作。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量,两者之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。

无线充电的基本原理:

①电磁感应式。初级线圈具有一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应,事实上,电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感,比亚迪公司早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利,就使用了电磁感应技术。

②磁场共振式。由能量发送装置和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,是目前正在研究的一种技术。麻省理工学院物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了2 m外的一盏60 W灯泡,并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50 cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。

③无线电波式。这是发展较为成熟的技术,类似于早期使用的矿石收音机,主要由微波发射装置和微波接收装置组成,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器,以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

竞赛官方提供电能无线发送模块,但是要求参赛队伍自制无线接收模块,不允许使用购买的成品模块。电能无线发送模块发射线圈输出频率为640 kHz的无线正弦波信号,输出功率限制为30 W。本书提供一种经典的无线接收模块方案作为参考。电能无线发送模块如图10.17所示,由控制与高频功率信号输出电路、发射线圈以及工作电源组成。

图10.17　电能发送模块组成框图

1)控制与高频功率信号输出电路

将直流电源转换成高频交流信号对发送线圈进行激励,控制发送功率并显示工作状态。

2)发射线圈

采用多股纱包线绕制成空心线圈,部署在赛道下面。接收高频功率输出的高频电流,形成高频交变磁场。

3)工作电源

为电能无线发送模块提供工作电源,额定工作电压/电流为24 V/3 A。规格说明:

①发射线圈。使用直径为1 mm的多股纱包线绕制成直径200 mm的空心线圈,绕制5匝。电感量大约为12.6μH。

②高频工作电流。高频电流功率输出部分采用了并联电容型E类高频功率放大电路,等效电路如图10.18所示。

图10.18　E类高频功率输出电路

E类高频功率输出电路中的功率MOS管工作在640 kHz方波信号驱动下,工作在开关状态。输出线圈在半个周期内与Cs,Cp串联形成谐振,在另外半周与Cs串联形成谐振。输出线圈上的电压并不是一个单一正弦信号,而是两个不同频率正弦信号的拼接。按照上述电路中参数匹配后,在输出线圈上的电压(A点电压)峰值大约为200 V。

③赛道线圈部署。赛道线圈部署如图10.19所示,发送线圈安放在起跑区域赛道中心,发射线圈中心距离起跑线20 cm。发射线圈固定在赛道PVC材料下面。在赛道表面的发射线圈中心位置,贴有边长为10 cm的黑色方块贴纸或者胶带显示发射线圈的中心位置。这个黑色正方形也为车模自动定位充电指示位置。

图10.19　电能发送线圈铺设位置示意图

④输出功率限制。电能发送模块通过控制E类功放的驱动信号的有无来限制无线输出功率。当驱动信号送到输出级功率MOS管时,谐振电路震荡,线圈输出电磁能量;当驱动信号关闭时,线圈停止发送电磁能量。

控制电路通过电流采样电阻获得E类功放消耗电流,进而计算出消耗功率(Pout)。竞赛组委会会在赛前统一指定输出级的最大功率(Pmax),最大功率值为20～40 W。如图10.20所示为电能发送模块输出功率控制等效电路。

图10.20　电能发送模块输出功率控制等效电路

电能发射电路根据检测消耗功率Pout与设定的最大功率Pmax之间的关系,作出如下控制:当Pout＜Pmax,电路正常连续工作;在连续N(3～10)次间隔1 ms检测中,Pout＞Pmax,则停止发射M ms,其中M=(int)(Pout-Pmax);如果Pout-Pmax＞10 W,则M=1 000。如图10.21所示功率超出设定值,输出停振时序图。(www.xing528.com)

图10.21　功率超出设定值,输出停振时序图

由于无线电能传输过程中存在着很多损耗,所以无线电能发送模块无法精确控制接收电能的功率。为了简化系统设计,无线发送模块通过控制无线功率输出级的功率来限制充电速率。在高频功率输出级供电电源上增加一个电阻采样获得工作平均电流,再根据工作电压计算出输出级的消耗功率Ps。当然这个功率小于实际磁场耦合输出的功率。

无线充电的原理与变压器完全一致,因此接收电路可以使用经典的整流滤波电路,如图10.22所示。为了使充电时间尽可能短,充电效率尽可能高,可以采用如图10.22所示的全波整流滤波电路。其中L1、L2为接收线圈,C1为高频谐振电容,D1、D2为整流二极管,C2为滤波电容。需要注意的是,由于线圈的感应电压以及谐振频率较高,因此电容建议选择品质较好的NP0高频电容,耐压值最好50 V以上,二极管建议选择专用的整流二极管或者肖特基二极管。

图10.22　全波整流电路原理图

利用磁场互感现象,通过磁场耦合的两个线圈可以完成电能的传输。采用电感线圈与高频电容按照谐振频率为640 kHz进行匹配。首先按照车模的实际大小绕制合适的电感线圈,利用仪器测得线圈的电感为L,利用式(10.2),计算出所需要匹配的高频电容C,采用多种标称电容组合,以尽量接近计算值C。

谐振所产生的是交变电流,需要使用整流电路将交流电转换成直流电。采用全波整流电路,在半个周期内,电流流过一个整流二极管,而在另一个半周期内,电流流过另一个整流二极管,并且两个整流二极管的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流电路整流前后的波形与半波整流所不同的是,在全波整流中利用了交流的两个半波,提高了整流器的效率,并使已整电流更平滑。整流后的直流电电压接入超级电容组作为车模的能源,利用单片机的实时监测超级电容组的电压值,实现自动发车。

由于电能发射装置对输出功率有着一定的限制,一旦超出设定的功率,发射装置就会停止发射,因此控制输出功率是十分必要的。利用PWM技术以及反馈来控制输出电压。PWM(Pulse Width Modulation)是指对周期脉冲波形的宽度进行调制。调制的概念以前是用于在无线电波发送时,对载波信号进行调幅、调频、调相等操作,使得发送信号调制在载波信号上。在这里则是通过对周期信号脉冲宽度的改变,使得它的平均等效直流信号发生变化。将脉冲时间宽度比上周期,定义为PWM波形的占空比,它的数值为0%～100%。PWM平均值就等于信号的峰值乘以占空比。

PWM波形主要用于进行直流电压的变换。如图10.23所示,两个MOS功率管串联起来接在电源与地之间。这种接法有一个通俗的称谓,叫作“半桥”功率输出电路。与其对应的就是由两个半桥组成的全桥功率输出电路。

如果通过施加在上下两个MOS管栅极上相位相反的开关信号,使得上下两个MOS管交替导通,那么它们中间相连就会形成周期脉冲波形。波形的峰值为VCC,占空比与上管的驱动波形的占空比相同。这样通过LC滤波之后,就会输出电压为VCC乘以占空比的直流信号。这个电路也可以实现升压变换,只要调换Uout与VCC的位置,便可以实现提升输出电压的目的。对于无线充电问题来讲,由于接收线圈倍压整流后的直流电压为30～40 V,而电容充电最大值一般不超过12 V,所以使用上面降压的方式就可以了。

上面的电路实现了对于输出电压的控制。如果负载为固定的电阻,那么实现输出功率,只需要根据要求,预先计算出所需要的电压,调节PWM的占空比,就可以完成恒定功率输出了。但是对于超级电容来讲,它所吸收的功率等于充入的电流乘以电压,而电流又等于电压的变化率乘以电容值。因此在电容充电过程中,电压在不断变化。假设采用恒定功率P对电容进行充电,根据电容储能公式可以计算出电容两端的电压Uc(t)随着时间变化的表达式。图10.24显示了电容恒功率充电的电压变化波形。

图10.23　半桥功率输出电路

图10.24　电容恒功率充电波形图

如果电容的容值C是固定的,那么根据图10.24中的公式得到输出电压的表达式,再由它调节输出PWM的占空比,便可以实现电容恒功率充电了。使用单片机来产生相应的PWM信号,按照已知的参数,产生相应的随着时间变化的PWM信号。如图10.25所示,记录了充电功率P设定为10 W,对于前面的电容组(6 F)进行充电的数据曲线,包括电容的电压和电源输出功率。

如图10.25所示,电容的电压大体是按照前面所述的恒功率充电电压变化的。电源输出功率在大部分的时间内相对平稳,只是在开始阶段,出现一段时间的死区时间。这是由于驱动电路IR2014在上下桥臂驱动信号中插入了大约0.5 ms的死区时间,防止上下桥臂同时导通。

由于死区时间的存在,使得在开始充电的时候,输出电压为0。只有输出PWM脉冲时间大于死区时间之后,才有真正的电压输出。后期的电源输出功率略微增加,也是由于死区时间所占的比重逐渐减小,使得充电功率逐渐变大。此外,输出端口的肖特基二极管的非线性也是造成起始阶段出现死区的原因。为了消除死区的影响,在计算PWM占空比的时候,加上一个死区时间对应的常量,则可以减少死区的影响。

图10.25　充电数据曲线

上述方案中电源输出功率仍然不太稳定,在实际应用过程中,为了避免超出无线发送极限功率而引起功率保护,需要留下一定的功率余量。另外,上面控制过程中需要使用到电容的参数,如果测量不准,或者使用过程中发生变化,也会引起充电功率波动。

为了在有限发射功率内获得最大充电功率,缩短比赛时间,为车模的运行提供足够的电量,采用恒功率无线充电模块。利用磁场耦合原理,通过全波整流获得电能,检测整流端的电压和电流,及超级电容的电压,控制整流端电流恒流,通过超级电压的实时采集进行一定补偿,控制同步buck的输出电压来控制给超级电容充电的功率。电路图如图10.26所示。

图10.26　恒功率电路原理图