国成功大学电机工程学系硕士文非接触式感应馈电技术应用於镍镉电

1、國 成 功 大 學電 機 工 程 學 系碩 士 文非接觸式感應饋電技術應用於鎳鎘電池充電之研究Study of the Contactless Inductive PowerTransmission Technique forNiCd Battery Charging研 究 生 : 邱 俊 翔指導教授 : 嘉 猷中 華 民 國 九 十 月非接觸式感應饋電技術應用於鎳鎘電池充電之研究邱俊翔* 嘉猷*國成功大學電機工程學系碩士班控制組電電子實驗室摘要本文旨為非接觸式感應饋電技術於鎳鎘電池充電之應用研究，其特點在於用電磁感應耦合機構，對充電電池達成無屬接點結之非接觸式感應充電，俾以提升充電系統之安全

2、性。所提非接觸式感應充電系統係採ER型耦合結構作為主要電能傳輸介面，並以鎖相變頻控制使其於充電負載變動時得具諧振頻追蹤功能，且藉電容補償方式改善充電系統之整體轉換效。文中尚用充電控制晶片bq2002設計電池充電電，對12V/1800mAh鎳鎘電池進定電快速充電。經由實測驗證，本文所建構之非接觸式感應充電系統確具可性，其於充電過程中之最高耦合效可達80%。*研究生*指導教授IStudy of the Contactless Inductive PowerTransmission Technique forNiCd Battery ChargingChun-Hsiang Chiu* Jia-You

3、 Lee*Department of Electrical EngineeringNational Cheng Kung UniversityTainan, Taiwan, R. O. C.AbstractThis thesis proposes a NiCd battery charging circuit based on contactless inductive charging techniques. Without direct metal connections, inductive techniques adopt the magnetic coupling mechanism

4、 for contactless inductive charging to promote the safety of charging systems. The ER core is used to transfer power and the phase-locked loop control is used to track the resonant frequency of the various resonant tanks in charging processes. Besides, the transform efficiency is improved by the com

5、pensative capacitors. The charging circuit using CC charging algorithm is realized by bq2002 fast-charge management ICs. Finally, the contactless charging system is implemented to verify the performance on a 12V/1800mAh NiCd battery. Experimental results and charging processes are provided for verif

6、ication. The best coupling efficiency is 80% in charging processes.*The student*The advisorII誌 謝作者由衷地感謝指導教授嘉猷師悉心指導與諄諄教誨，使作者在專業域抑或待人處事上皆獲多。此外，承蒙祖聖師、蔡聖鴻師、莊智清師、鄭銘揚師與王振興師在學業上之教導，以及莫清賢師、法正師、瑞師、從主師、謝欣然師與陳建富師對學生文之指正，在此亦致以深摯謝意。在學研究期間，感謝控制組電電子實驗室依穎學長、偉銘學長、國原學長、嚴景華學長、天俊學長們將經驗傾囊相授，以及同儕楊焙堯、張宗文、萬泰、冠增、杜明育及戴家豪同學相互

7、磋與鼓，學弟妹周瑋潔、陳世賢、蔡宗燁、黃義傑、莊佳璋、陳嘉緯、張宇誠、麥綺明、許孟勤、莊勳以及黃特瑋之幫忙，使實驗能順進。最後，特別感謝家人在作者成長及求學過程中給予關懷與鼓以及朋友們的支持，謹此獻上最誠摯之謝忱。III目頁中文摘要.I 英文摘要.II 誌謝.III 目.IV 圖目.VIII 表目.XII第一章 緒.11-1 研究背景與目的.11-2 發展與應用.41-3 文大綱.5第二章 感應線圈基本特性分析與二次電池介紹.62-1 前言.62-2 感應線圈的基本動作原.62-3 鐵芯特性分析.92-3-1 磁滞現象.92-3-2 軟磁材介紹.102-3-3 感應結構型.12 IV2-3-4

8、 感應結構特性分析.132-4 感應線圈的非想效應.152-5 二次電池介紹.182-5-1 鉛酸電池.182-5-2 鎳鎘與鎳氫電池.182-5-3 鋰子電池.192-6 電池充電策.202-6-1 定電充電法.202-6-2 定電壓充電法.212-6-3 定電與定電壓充電法.212-6-4 脈衝充電法.222-6-5 ReflexTM充電法.22第三章 非接觸式感應充電系統架構設計.243-1 前言.243-2 系統架構規劃.243-3 等效模型與補償電.253-3-1 等效模型.253-3-2 電磁耦合互感模型分析.263-3-3 電容補償網.28V3-3-4 雙埠網分析.323-4 感

9、應線圈設計.37第四章 硬體電規劃與製作.394-1 前言.394-2 電架構.394-3 初級側電設計.404-3-1 D半橋換電.414-3-2 閉迴控制電.464-3-3 電調節電.514-4 次級側電設計.544-4-1 充電控制器.544-4-2 充電電.564-5 整體設計程.57第五章 實驗結果與波形測.605-1 前言.605-2 硬體電製作.605-3 實驗結果測.61第章 結與未研究方向.686-1 結.68 VI6-2 未研究方向.69考文獻.70自傳.75 VII圖目圖1-1 圖1-2 圖2-1 圖2-2 圖2-3 圖2-4 圖2-5 圖2-6圖2-7 I圖2-8 ER

10、圖2-9 U圖2-10 圖2-11 圖2-12 圖2-13 圖2-14 頁 個非接觸線圈間電磁感應示意圖.3 非接觸式感應饋電技術之應用.5 電磁效應.7 載有電的圓形迴線圈.8 線圈半徑對磁場強的影響.8 鐵磁性材在B-H平面上的磁滯曲線.10 空心線圈與加入鐵芯後之磁通比較.11 鐵氧體鐵芯形.12 型感應結構的磁場分佈.13 型感應結構的磁場分佈.14 型感應結構的磁場分佈.14 銅線繞組之集膚效應.16 集膚效應所造成導線內部之電分佈.16 近接效應所產生之渦電.17 層變化對交損失的影響.17 定電充電特性曲線.20 VIII圖2-15 定電壓充電特性曲線.21圖2-16 定電與定電

11、壓充電特性曲線.22圖2-17 脈衝充電法.22 圖2-18 ReflexTM充電法.23 圖3-1圖3-2圖3-3圖3-4圖3-5圖3-6圖3-7圖3-8圖3-9圖3-10圖3-11圖3-12圖3-13圖4-1非接觸式感應充電系統架構圖.24 實際變壓器之等效電.25 互感耦合等效電.26 電磁耦合系統模型分析.27 次級側無補償之反射電阻曲線.28 電容補償電.28 同初級側電容補償電.29 次級側補償之反射電阻曲線.31 次級側並補償之反射電阻曲線.31 雙埠網的傳輸定義.33 同補償技術的效對負載變化曲線.36 同線徑下頻與線圈電阻之關係.38 同匝下頻與線圈電阻之關係.38 實際電架

12、構圖.40 IX圖4-2 D半橋諧振電.41圖4-3 D半橋諧振電主要波形圖.42圖4-4 D半橋諧振電動作分析圖.44 圖4-5圖4-6圖4-7圖4-8圖4-9圖4-10圖4-11圖4-12圖4-13圖4-14圖4-15 bq2002圖4-16 bq2002圖4-17圖4-18圖4-19鎖相控制IC內部方塊圖.47 相位比較器1之運作方式及輸出特性.47 鎖相電各區塊輸出波形.48 鎖相環控制回授的原方塊圖.49 初級側鎖相環回授控制電圖.50 初級側系統動作方塊圖.51 電壓訊號取樣電.52 非位反相型磁滯比較器.53 電調節電.53 穩壓調節電.54 內部等效方塊圖.55 充電態腳位輸出

13、顯示.56 鎳鎘充電控制電.57 非接觸式感應充電系統設計程圖.58 非接觸式感應充電系統完整電圖.59 X圖5-1 圖5-2 圖5-3 圖5-4 圖5-5 圖5-6 圖5-7 圖5-8 圖5-9 圖5-10 非接觸式感應充電架構圖.60 閘極訊號vGS1與vGS2測圖.62 閘極訊號vGS2與vDS2電壓測圖.62 電ip與電壓vDS2測圖.63 電壓vDS2經比較器輸出測圖.64 電壓vL經比較器輸出測圖.64 次級側負載開時初級側電感電壓vL.65 負載變化對效與輸出功曲線圖.66 電池電壓與充電電曲線圖.66 整體充電系統實體照片.67 XI表目表3-1表3-2表3-3表4-1 bq2

14、002表5-1頁 非接觸式感應結構等效測值.26 次級諧振頻下的反射電阻和電抗值.30 初級側補償電容設計值.32 引腳功能描述.56 實驗電規格表.61 XII第一章 緒1-1 研究背景與目的二十一世紀在已開發或開發中國家，由於人口結構產生變化，而衍生出各種社會型態、經濟型態與消費型態的轉變，牽動整個國家或全球未的發展。近十多，資訊電子科技進步顯著且全球消費能普遍提升，使資訊及通信科技產業市場隨之擴展。其中，資訊家電產品已漸成為消費性電子主，隨時得市場上推出各種多媒體手機、位相機、筆記型電腦等等可攜式電子產品。目前，除可攜式動消費性電子產品持續發展外，市場上另一波極具潛的智慧型家電熱潮又席捲

15、而。2005，美國iRobot公司推出的智慧型吸塵機器人Roomba，全球銷售超過260萬台。其體積小到足以鑽入家具底部清掃，且外型圓，容在家中移動。此吸塵機器人裝有光學感測器，可偵測灰塵的多寡，故能事先辨別已清之區域，完成其吸塵任務。另外，還設置有防止跌階梯的裝置，以及電足時，可自動尋找充電座充電等功能，使家電產品朝向人性化的設計。為提升產品使用的方性，此電子產品皆以可循環充電之二次電池作驅動。然而，在對電池重新充電的技術發展上，多採用屬接方式補充電池電。這種傳統饋電的方式雖然方，但在外之牆壁插座，一直為電器安全上很大之。 1本文旨在應用非接觸式感應饋電技術於鎳鎘電池充電之研究，使用一分式鬆

16、耦合變壓器，將電能由電源端經氣隙傳輸至負載，避免電能傳輸過程中的導體和接觸火花。此外，針對有別於個人化之小型動電子產品，發展出以鎳鎘電池為主的電磁感應充電系統，期以能推廣至相關產品的應用，提升產品使用上之安全性和性。電磁感應現象的證明，係於1820由奧斯特(H. C. Oersted)首次發現電磁效應後，法第(Michael Faraday)於1822提出由磁轉電的構想，並在1831完成史上首次的電磁感應實驗。其後，韋伯(W. E. Weber)於1845對其現象進學方法的研究，最終由法第於1851正式提出電磁感應定。電磁感應現象自被證實之後，用其原進非接觸式感應電能傳輸(contactles

17、s inductive power transmission)的概與技術，近被續提出與創新。至今，由於材科學的進步與工業上的需求逐漸廣泛，以及普世對環保及安全能源的要求日增加，使非接觸式感應電能傳輸技術的應用範圍斷成長。非接觸式感應電能傳輸技術之電磁轉換原如圖1-1所示1，係應用線圈間電磁感應現象所產生之磁電能轉換特性。於初級線圈輸入端饋入時變交電，將因電磁感應原產生交變磁場。次級線圈感應接收磁場能，並轉換為等交電輸出，藉此達成能之傳輸。 2圖1-1 個非接觸線圈間電磁感應示意圖傳統上一般家用及工業用電子設備之供電，仰賴電源線接插座或用屬接點直接接觸汲取電。除容造成屬表面銹蝕外，在某些特殊環境

18、下，如極潮濕或充滿爆炸性氣體環境，使用上述方式進饋電將變得極可靠與危險2,3。此外，工業界對於必須進移動作業抑或須於隔且封閉環境下工作之機械或設備而言，使用電源纜線供給電之方式，將侷限機械設備配置之彈性。其主因乃在於受電源纜線已固著於特定位置而任意動所致，故造成甚多實際配線上之困擾。用環保性高的二次電池進供給電之傳統方式，雖可紓解上述困擾，但如何對二次電池進充電再用等問題，似乎又只能回到仰賴電源線和屬接點接觸的方式進充電。因此，倘透過非接觸式感應電能傳輸技術進上述設備之供電或對電池進充電，雖然在電能傳輸效上因無線直接結而顯得3差，然其相對於傳統電源線接插座或用屬接點直接接觸的方式，仍因其無需實

19、體接觸的特點，而得具高安全性、高絕緣及適用性高等實用特點。況且，近幾磁性材之斷研發和進步，近距的感應電能傳輸之效可以透過選擇適當的磁性元件材大幅的獲得改善，使非接觸式感應電能傳輸技術具實用上的價值。1-2 發展與應用非接觸式感應電能傳輸技術可廣泛應用在各個範疇，如圖1-2所示。包括電動牙刷、無線鼠的充電裝置與手機充電器4-6等可攜式或家用電子的應用已經相當普遍，研究方向也從過去只對單一電子產品的供電演進為建所有可攜式或家用電子供電平台的概7,8，如此在實用上將具彈性。而在大眾運輸工具、電動載具以及工業機具等大功應用場合的供電與充電方面之發展也逐漸達到成熟的階段9-20。另外，在醫上的應用，以非

20、接觸式感應技術發展全植入式電激器，可以改善傳統電激造成皮表開放性傷口的缺點；在人工心臟輔助裝置方面，用非接觸式感應電能傳輸進供電亦解決無法將人工心臟之電源線接至外部取電的問題21-24。甚至在許多特殊場所如油井鑽探作業、水下設備、機器人的電能供給及無線射頻別系統(RFID)的發射與接收裝置等，應用非接觸感應電能傳輸技術也之有。4圖1-2 非接觸式感應饋電技術之應用1-3 文大綱本文共分為章，主要目的在於研究用非接觸式感應饋電技術於鎳鎘電池充電系統。第一章為緒，明本文之研究目的及簡述非接觸式電磁感應饋電技術的史背景。第二章介紹二次電池以及感應線圈的基本特性，並用電磁模擬軟體MAXWELL

21、4;模擬同感應結構之磁場分佈。第三章以公式推導與等效模型，探討分析補償網的電特性。第四章明非接觸式感應充電系統的電架構，並對其設計方式加以描述。第五章為實驗結果，將測系統中的各重要波形。第章為結與未研究方向。第二章 感應線圈基本特性分析與二次電池介紹2-1 前言本章分為個主題，首先針對感應線圈和鐵磁性材做一簡介。將明感應線圈的動作原以及鐵磁性材的基本物特性，並使用磁場模擬軟體模擬同外型鐵芯所對應的感應特性，最後討感應線圈的非想效應。其次，介紹目前市面上常的二次電池種以及常用的充電策，選擇適當的充電策對電池的容和壽命有很大的影響。 2-2 感應線圈的基本動作原移動中的電荷或電均能夠建磁場，而且其

22、磁線或磁場強H的方向係當右手大拇指指向電方向時，而其餘四指則為磁場方向。圖2-1所示為上述電與磁場強方向的關係圖。進一步的表示磁場強與電關係，可以用安培迴定(Amperes circuital law)描述電與磁場的關係如下式：Hdl=i C(2-1)封閉曲線徑C上的磁場強H為定值，S代表任何以封閉曲線C所圍繞成的面，lC為曲線C上積分徑的長，當一載有電i的N匝線圈通過S面，則磁場強如下式：6NiH=lC (2-2)圖2-1 電磁效應圖2-2所示為一個半徑為R的圓形迴線圈25，藉由上述可知，此迴會產生一感應磁場，根據下式所示之畢奧沙瓦定(Biot-Savart law)可以得到圓形載導線中心軸

23、線上的磁場強為：H=iR22(R+z)223 (2-3)用(2-3)式，分別選擇R為1cm、7.5cm及55cm，電i的大小值為0.1A，比較Z點位置與磁場強的關係，如圖2-3所示。可以發現線圈半徑越大，磁場強在越接近線圈的位置越弱，但也較能容忍高的變化。反之線圈半徑越小，則對高的變化越敏感。藉由電磁效應明電感應磁場與其特性後，進一步的，根據法第定(Faradays law)可知，隨時間改變的交變磁場穿過線圈後，線圈將會因磁場變化而產生感應電場，並且由感應電動勢所產生的電將沿著抗拒磁場變化的方向動。7圖2-2 載有電的圓形迴線圈圖2-3 線圈半徑對磁場強的影響82-3 鐵芯特性分析2-3-1

24、磁滯現象鐵磁性材受到外加磁場的影響，而當外加磁場H由逐漸增大時，磁通密B亦隨之增加，但者之間為線性關係，其磁化曲線如圖2-4所示。當H增加至一定值時，B再增加，這明該物質的磁化已達到飽和態。假如磁場減小，磁化亦隨之減小，但其徑並沿原磁化曲線返回，而是沿另一曲線下到Br，這明當H下為時，鐵磁物質中仍保有磁性，Br 稱之為剩磁。將磁場反向並逐漸增加其強，當達到-Hc時，B恢為值，這明要消除剩磁，必須施加反向磁場Hc，Hc稱為矯頑磁。剩磁Br與矯頑磁Hc，對於相同的鐵芯材以及相同的Bm大小，均會受到頻的影響而改變。當磁場由Hm 0 -Hc -Hm 0 Hc Hm次序變化時，磁通密的相應變化為Bm B

25、r 0 -Bm -Br 0 Bm。由上述可看出磁通密變化較磁場變化遲緩的現象，稱之為磁滯(hysteresis)。而鐵芯反覆磁化的過程中需要消耗額外的能，並以熱的形式從鐵磁材中釋放，這種損耗稱之為磁滯損失(hysteresis loss)，它正比於磁滞迴線所圍的面積。將B-H曲線轉換為-I曲線，可看出隨著電I的增加，磁通將趨於飽和。飽和磁化與磁滞的存在，是鐵磁性材的重要特徵26。9圖2-4 鐵磁性材在B-H平面上的磁滯曲線2-3-2 軟磁材介紹根據磁滞迴線的形，可將鐵磁材分成軟磁和硬磁。前者磁滞迴線狹長，矯頑磁、剩磁和磁滯損耗均較小，是製造變壓器和交磁鐵的重要材；後者磁滞迴線較寬，矯頑磁大，剩

26、磁強，可用製造永久磁鐵。感應結構單純使用空心線圈時，由於空氣的導磁係甚低，因此次級線圈內磁通密太小。為增加感應次級線圈所能接收到的磁通，設計上應在感應初級與次級線圈加入鐵磁性材作為鐵芯使用，提高其磁通密大小。如圖2-5所示，比較加入鐵芯前後的感應線圈，可明顯發現加入鐵芯之後，次級線圈所能接收到的磁通明顯增加。文中選用合適之軟磁材，作為非接觸式感應結構之磁芯元件。軟磁材在應用上則需視頻而，如低頻或中頻以屬軟磁材為主，在高頻到超高頻大使用軟磁鐵氧體(ferrite)。鐵氧體具有電阻高10及導磁高大特點，使其被廣泛應用在很寬之頻範圍內，其中錳鋅系鐵氧體和鎳鋅系鐵氧體是為典型之鐵氧體材。錳鋅系鐵氧體具

27、有高導磁和高磁通密之特點，且在低於1MHz之頻時，具有較低損耗之特性。鎳鋅系鐵氧體具有極高之阻抗與低導磁等特性，在1MHz以上之頻亦只產生較低損耗。由於交變磁場作用於軟磁材之磁方向斷變化，因此需要一具有狹窄型磁滯曲線之材以低其能損耗。(a) 線圈未加入鐵芯之磁場模擬(b) 線圈內置入鐵芯之磁場模擬圖2-5 空心線圈與加入鐵芯後之磁通比較112-3-3 感應結構型感應結構型主要自於鐵芯外型的差，同的感應結構所產生的感應特性盡相同。常的鐵芯感應結構有U型、E型、RM型等，其外形分別如圖2-6(a)至(f)所示。(a) RM型 (b) EP型(c) U型 (d) E型(e) ER型 (f) EFD型

28、圖2-6 鐵氧體鐵芯形122-3-4 感應結構特性分析輸入交變電於初級線圈，則此電在初級線圈鄰近的空間中建一交變磁場，其磁通穿過置於初級線圈上方或下方的次級線圈並隨時間而變動。次級線圈因電磁感應現象而產生感應電動勢和感應生成電，感應電的大小與穿過線圈的磁通變化成正比。圖2-7所示為I型感應結構的磁場分佈，I型感應結構由於磁迴封閉性極差，其磁通相當大。因而次級線圈所能產生的感應電相較於其他形式的感應結構小，但由於其磁場較為發散，因此對於線圈間橫向相對位置的變化有較佳的容許。圖2-8所示為ER型感應結構的磁場分佈，此種感應結構的磁迴封閉性強，因此次級線圈所能產生的感應電較大，效也高。但對線圈間圖2

29、-7 I型感應結構的磁場分佈13的橫向位置變化有較高的敏感，因此適合較大及固定的負載使用。圖2-9所示為U型感應結構的磁場分佈，在感應特性上與ER型相似，其感應結構較ER型為簡單，且體積大小小於ER型鐵芯。圖2-8 ER型感應結構的磁場分佈圖2-9 U型感應結構的磁場分佈142-4 感應線圈的非想效應感應線圈的非想效應，主因於線圈工作在交環境下所致。線圈工作頻越高，所造成的非想效應越嚴重。感應線圈的非想效應將會導致交電阻的增加，造成功的消耗以及線圈的發熱現象。空間中時變磁場所產生的磁通穿過導體後，根據次定，導體會產生一感應電以抗衡磁場的變化，此電稱之為渦電。其動方向與交變磁場方向垂直並隨交電之

30、磁通改變而呈反方向動。渦電是造成集膚效應(skin effect)和近接效應(proximity effect)的主要因素。對導體而言，在高頻時由於自身渦電，致使電動範圍偏重於導體的邊緣部分，導致線圈交電阻增加，這種現象稱為集膚效應。如圖2-10所示，一表面絕緣的銅線過交變電i(t)，此電所產生的交變磁場進而在銅線內部形成渦電。這些渦在銅線內部通的方向與i(t)H(t)，相反，使得電i(t)無法深入銅線的內部。因此電僅在導體外圍以及表面動，這使得導體表層的電密為最大，如圖2-11所示27。其表層深稱為集膚深(skin depth)，定義集膚深如下式：=1 f(2-4)其中為導體材之導磁，為導體材之導電，f為交變電