無線功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用
摘要:為了使無線功率傳輸在給多個設(shè)備充電時不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備,例如實驗移動設(shè)備(如移動手機)放在無線傳輸設(shè)備附近能夠?qū)崿F(xiàn)充電,可以通過改變手機等設(shè)備的位置,角度,離發(fā)射設(shè)備的距離等實現(xiàn)無線充電。為了這解決了長期以來的兼容性難題,擬用電容性電能傳輸 (CPT),應(yīng)用AD—DC,DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)對移動設(shè)備的充電。通過改進(jìn)設(shè)計,無論是整流橋還是偏置網(wǎng)絡(luò),我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路(IC)實現(xiàn)。實驗應(yīng)用表明,該系統(tǒng)能提高無線功率傳輸效率90%。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/306126.htm關(guān)鍵詞:無線傳榆;磁耦合;功率發(fā)射器;AC/DC
由于顧客便捷性的充電需求,很多公司加入了于2008年成立的無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium,WPC),并建立了一個通用的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)(QI)。該標(biāo)準(zhǔn)使得不同型號,不同國家,不同電源需求的手提設(shè)備可以共用一個電源,多個設(shè)備在充電時不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備,這解決了長期以來的兼容性難題。但是僅WPC標(biāo)準(zhǔn)下的功率傳輸效率不高,研究目標(biāo)在于減少電能的無線傳輸損耗,實現(xiàn)為小功率的便攜移動設(shè)備電池進(jìn)行充電。
1 通過電磁耦合實現(xiàn)無線傳輸及其優(yōu)點
盡管聲耦合和光耦合也在發(fā)展,但是電磁耦合是最有效率的。傳統(tǒng)的感性傳輸技術(shù)(IPT)存在明顯的局限性。因為有其不能穿過金屬屏障,傳輸效率低,易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸,通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道,能實現(xiàn)通道間的遠(yuǎn)距離能量傳輸,通過優(yōu)化功率變換電路及無功功率的補償,可以盡最大可能地提高能量傳遞效率,從而有效地傳輸能量。實驗研究了電感螺線圈直徑和傳輸裝置電路開關(guān)管工作時間對傳輸功率的影響。我們團隊擬用電容性電能傳輸(CPT),應(yīng)用AC—DC,DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)對移動設(shè)備的充電。
無線容性功率傳輸(CPT)技術(shù)是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案,CPT接口是在一對耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分,包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁感應(yīng)的特點可以降低功耗,在某些功率水平,元件可以使用最小化電容結(jié)構(gòu)。因此CPT最顯著的優(yōu)勢是它的低功率損耗,成本和尺寸。然而,在高功率應(yīng)用中,這不是一個優(yōu)選的解決方案。出于這個原因,大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備,如無線牙刷充電器,或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點。
對于感性傳輸技術(shù)來說,CPT有以下特點:
1)CPT是基于電場耦合的,所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。
2)一個完整的CPT系統(tǒng)至少含有兩對耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環(huán)電流。
3)當(dāng)耦合板間有金屬屏障時,這種耦合可被認(rèn)為是兩個電容的串聯(lián),這意味著CPT能夠通過金屬屏障來傳輸能量。
4)相比于IPT來說,CPT系統(tǒng)因為大多數(shù)電場封閉在連接板體積內(nèi),電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。
5)除去了重而昂貴的磁性材料和線圈,電路的尺寸可被減小。無線電池充電器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
功率發(fā)射器連接在電網(wǎng)上,功率接收器集成在移動設(shè)備上。功率發(fā)出和功率接受是靠磁耦合。經(jīng)過AC—DC和DC—AC轉(zhuǎn)換,發(fā)出功率在合理控制共振箱的基礎(chǔ)上再由AC—DC轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無線供電技術(shù)這種新型的供電方式不但可以使無線供電的距離提升到米級范疇,突破了無線能量傳輸距離這個瓶頸,同時還會分離開用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接,這樣在提高用電設(shè)備的美觀,實用性的同時,還可以改善用電設(shè)備的安全性。
無線容性功率傳輸(CPT)技術(shù)最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案,CPT接口是在一對耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分,包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁根據(jù)需要與不縮小降低功耗,在某些功率水平,成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優(yōu)勢是它的低功率水平的成本和尺寸。然而,在高功率應(yīng)用中,這不是一個優(yōu)選的解決方案。出于這個原因,大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備,如無線牙刷充電器,或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點來實現(xiàn)。印刷和MEMS技術(shù)在應(yīng)用程序CPT表明承諾的進(jìn)步,這些驗收技術(shù)在消費電子應(yīng)用。
2 使用開關(guān)電源提高功率效率
在以往的結(jié)構(gòu)中,功率效率是通過電阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的,它引入了一個嚴(yán)重降低效率且平行于橋式整流器電阻負(fù)載。交流-直流整流器是由一個全波整流器來實現(xiàn)。在這樣的電路中,功率效率在很大程度上受這兩種傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。此外,功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場合帶來更方便的供電,如水下檢測、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此,磁耦合諧振式無線供電技術(shù)具有良好的應(yīng)用價值和研究意義。
改進(jìn)設(shè)計,無論是整流橋和偏置網(wǎng)絡(luò),我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路(IC)實現(xiàn)。另外,接收器架上的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻,因此與使用二極管和電阻的常規(guī)系統(tǒng)相比,功率損耗被嚴(yán)重降低。
3 技術(shù)路線
3.1 基于電容耦合的非接觸電能傳輸技術(shù)(CPT)
遠(yuǎn)距離功率傳輸?shù)年P(guān)鍵問題是減少損耗,提高效率,就目前的科技水平,即使是近距離傳輸?shù)男室搽y以與有線傳輸相比,所以感性傳輸技術(shù)顯得尤為重要。根據(jù)需要,參考了兩種耦合結(jié)構(gòu),它們都由兩對金屬板組成,每對金屬板間的耦合距離為1 mm。
圖2所示為碟形結(jié)構(gòu),兩個圓盤形成了一對耦合板,下面的圓盤靜止不動并連在輸入電源上,上面的圓盤旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。
圖3所示為柱形結(jié)構(gòu),圓柱1和2形成了一對耦合板,圓柱3和4形成了另一對。兩個外部的圓柱靜止不動并連在輸入電源上,兩個內(nèi)部的圓柱旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。
可以證明,對于上述結(jié)構(gòu)來說,當(dāng)兩對耦合板的耦合面積相等且板的總面積保持相同時,總的等效電容達(dá)到最大值。設(shè)計負(fù)載由多個最大阻值為1.3 Ω的傳感器組成,其結(jié)果是,柱形結(jié)構(gòu)的等效電容最大值是碟形結(jié)構(gòu)的三倍,因此選用柱形結(jié)構(gòu)作為優(yōu)先型。典型的基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖4所示,直流輸入電壓Edc經(jīng)過功率逆變器變換成高頻交流電壓,并作為原邊金屬板的輸入電壓,當(dāng)副邊的兩塊金屬板與之鄰近且存在電位差的時候,原邊的交變電場就會對副邊金屬板產(chǎn)生感應(yīng),從而實現(xiàn)電場耦合并向負(fù)載Rl供能。
CPT系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D5,在原邊,直流電源Edc與直流電感Ld共同組成準(zhǔn)電流源,S1~S4構(gòu)成高頻能量變換環(huán)節(jié),通過與這兩個開關(guān)對180°交互導(dǎo)通。這兩對開關(guān)管通過ZVS(zero voltage switching)的工作方式進(jìn)行切換,即通過檢測Vcp的過零點來完成開關(guān)對的切換過程,實現(xiàn)正反向兩種能量注入模式。由于切換過程在過零點進(jìn)行,其開關(guān)切換損耗在理論上為零。在電路中,CS的等效串聯(lián)電阻ESR如下:
根據(jù)以上分析,通過將逆變網(wǎng)絡(luò)輸出端電路(虛線)看出二端口網(wǎng)絡(luò),可以建立諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路,如圖6所示。
在電路中,Cp構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),Cs2為原副邊電容耦合板的等效電容,調(diào)諧電感Ls與Cs1、Cs2構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。
3.2 開關(guān)電源
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和 MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源可以分為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。簡單地說,開關(guān)電源的工作原理如下:
1)交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;
2)通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;
3)開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載。
4)輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。
在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,因而,與普通開關(guān)相比,開關(guān)電源可以用較小的體積實現(xiàn)較大的功率傳輸,且損耗較小。并通過將這種方法應(yīng)用到實際ICPT系統(tǒng)中以驗證該方法的有效性。
與線性電源相比,PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。開關(guān)電源伯特圖脈沖的占空比由
開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波,其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。
4 結(jié)束語
無線功率傳輸作為朝陽產(chǎn)業(yè),有著廣闊的前景和應(yīng)用背景。會對人類未來的能源傳輸方式產(chǎn)生變革式的影響。其特點是損耗小,安全,方便,可以在特殊情況下使用。需要解決的問題是感性傳輸技術(shù)和開關(guān)電源的應(yīng)用,提高效率,改善結(jié)構(gòu)。
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