感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究

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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。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。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,无线电能传输技术应运而生。本文对多负载感应耦合式锂电池无线充电平台进行了深入研究,并在实验室条件下制作了样机进行了理论验证。本文分析了感应式无线电能传输系统的电路拓扑,对系统电路中重要组成部分,如可分离变压器、补偿电路、整流逆变做了详细的建模分析和理论推导,可分离变压器采用互感模型,重点分析了8种补偿方式,并最终采用SS补偿方式,此时,系统具有恒流源特性,而且绕组寄生电阻的存在不影响补偿电容具有最简形。推导了交流等效电阻与直流电阻的关系。给出了单负载锂电池无线充电平台的最优设计框架,重点介绍了充电管理芯片bq2057的硬件电路,以及锁相环HEF4046B的使用方法,推导了SS补偿时出现频率分叉现象的起因及消除条件,根据电压增益特性,电路LC器件的电压应力、感应线圈的载流能力,一步步推算出系统主电路的电路参数,给出最优设计方案。针对充电电路包含多种状态的特点,本文提出了单负载时标准电流的控制思路。该控制方案原理简单,拥有三大优点。最后,在实验室条件下,制作出样机,通过实测实验参数,进一步验证了该套设计方案的可行性。本文最后给出了多负载无线电能传输系统原理框图,以两负载为例,推导了原边恒压时、原边恒流时,原边线圈的输出功率随负载电阻的变化关系,具体到锂电池充电平台系统电路,给出了原边恒流的控制方案,并与最大传输功率控制方案作比较,原边恒流实现了副边线圈的解耦控制。原边电路采用全桥逆变变换器,使用UC3875芯片实现移相控制,简述了芯片的功能和使用方法。全桥变换器采用ZVZCS软开关技术,并详细分析了ZVZCS下的原边电路的工作原理。
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