基于近场磁耦合技术的无线充电系统的研究

基于近场磁耦合技术的无线充电系统的研究

0近场负载调制技术近年来，高频无线充电技术越来越受到重视于电子制造行业。射频式无线充电技术中,将变压器模型的近场负载调制技术,即通过准静态场的耦合来实现数据与功率的传输。近磁场耦合技术,也逐渐地应用到汽车防盗器、汽车胎压监测系统(TPMS)及汽车不停车电子收费系统(ETS)中。本文将对无线充电的技术与装置构建作介绍。1无线充电系统的仿真无线充电装置的硬件结构由两大部分组成:一个是充电器,俗称基站;另一个是手机终端,即手机终端接收器;利用电磁场实现两个设备之间的电能传输。电源传送设备的内部感应线圈能够创建一个电磁场,而移动设备内置的线圈正好能够捕捉到该磁场中的电能,然后,再将这些电能转化为电流并为移动设备的电池充电。两者间以匹配相同的Qi支持协议,完成基站与手机终端互相通信的过程。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织———无线充电联盟(简称WPC)推出的“无线充电”标准Qi,具备便捷性和通用性两大特征。不同品牌的产品,只要有一个Qi的标识,都可以用Qi无线充电器充电。图1以车载无线充电为例,给出了无线充电装置的结构框图。充电器功能是:功率发射和功率输入都来自汽车上的电瓶或以汽车发动机为原动机的发电系统;功率发生器采样后,用开关调制成一定频率的脉冲序列,即将输入的直流变成高频交流矩形波,一般将频率变到几十千赫兹到几百千赫兹左右,本例由L1、C3将频率固定于100kHz。脉冲驱动电感线圈L1与接收器的电感线圈L2进行磁耦合送电。为使接收器获得最大功率,L2、C1构成串联谐振回路,谐振频率也为100kHz。接收器的功能是:功率的获取及向基站发送功率偏差信息,以稳定输出功率,有效地对负载充电。充电器与接收器中均有控制系统。接收器控制系统对获取功率的异常值表现在电压量上为过高或偏低,此波动量作为调制信号对电压波形作AM调制,并及时有效地通过电感线圈L2、C2构成的并联谐振电路,将已调制的波形以数据报文形式传送给基站的控制系统。基站控制系统接收到来自接收器控制系统的AM调制数据后,对已调波作解调。解调后的信号去控制基站脉冲序列的频率,其范围在110~205kHz之间。调制度m大(m=△U/U,0≤m<1),脉冲序列频率降低,趋近L1、C3串联的固有频率调制度m小,脉冲序列频率升高,偏离L1、C3的固有频率;脉冲序列的频率变化,但占空比D(D=tw/T)不变。图2是使用SaberSimulator软件仿真的波形,其中调制度m1>m2>m3>m4。此开关信号调节功率发生器,使其输出的开关信号频率随调制度的变化而变化,即调制度m小,开关频率高,发送的功率便低;反之,则高,以稳定的功率对负载充电。2安全传播过程中功率传输的过程信息报文的通信链呈单向传递性,即由接收器将信息报文传递给基站并确认,基站便发送功率,完成功率稳定传输的全过程。全过程分为启动阶段、标识及配置阶段、功率传输阶段。启动阶段:由基站采用低功耗模式发射功率信号,以探测接收器是否存在。若接收器存在,便发送50%占空比、175kHz的方波序列脉冲与接收器建立信息报文的通信链(即Ping阶段)。在tping时间内,接收器发出信息强度报文,向基站施令。基站收到该“报文”后并确认,便进入了标识与配置阶段。标识与配置阶段:基站检测与识别了接收器,便收集接收器发送的配置信息。配置信息也以“报文”呈现,即有标识报文(数据头0x71)、扩展标识报文(数据头0x81)和配置报文(数据头0x51)三个,报文格式如图3所示。报文头以11~25个全比特“1”组成,数据头用于区分报文的类型,信息对应于特定类型数据的具体细节,校验和C=Hue066B1ue066B2ue066…ue066Blast。报文信息反映了接收器中功率输出部分的波动量对载波信号幅度调制的全过程。图4便是报文信息的调制过程经示波器测量得到的波形。在幅度调制下,由于数据是经过差分双相编码,所以在一个时钟周期内,数据发生变化则为信息“1”,数据没有发生变化则为信息“0”,如图4所示。图4中,在一开始就产生了22个比特“1”作为报文头;数据头经译码后为0x03,表明处于无线充电的功率传输阶段;后面跟着的信息字节是0x00,表明接收器端实际获得的功率和设定的功率一致,无需调整;最后的校验和是将数据头和信息字节进行异或运算,即是0x03ue0660x00=0x03作为最终的校验和,以确认为无需调整的功率传输阶段。经过对“报文”校验再确认便进入了功率传输阶段。如果在规定的tmax时间内,基站未收到“报文”数据,或每一个“报文”的间隔时间超过规定的tnext,基站会移除启动阶段所发射的低功耗的功率信号,功率发射停止。启动与通信时间如图5所示。功率传输阶段:在充电功率发送过程中,为保证功率传输的稳定性,编制了控制误差报文与整流功率报文。控制误差报文反映了实际控制点与期望控制点间的误差信息,其值为“零”或为“负值”或为“正值”。偏差值在控制系统中用软件作PID算法对误差进行调节,使基站中脉冲序列的频率发生变化。整流功率报文用于向基站“报告”接收器正供给被充电负载的实际功率情况,以控制基站中的功率发生器实时发送功率。以上三个阶段的过程如图6所示。3智能电源系统的实现通过对无线充电的过程分析,可发现在稳定输出量(电压或者功率)的手段上与传统的PWM(脉宽调制)型开关电源有一定的相似性。无线充电的PWM调制方式采用半桥换流器来实现,图7为半桥换流器实用调制电路。图7中,在12V汽车电瓶供电情况下,通过半桥换流器驱动电路(Driver)来控制实现PWM调节控制,线圈和电容构成串联谐振回路,实现无线发射功率最大化。无线充电开关电源采用DC/DC功率变换,通过硬、软件的配合实施运作。功率传输环节由硬件实现,开关电源的输入量是直流量,通过半桥开关调制,形成一定频率的脉冲序列波,应用LC谐振原理通过电感磁耦合传输功率。误差调节环节,即偏差量对电压波形作AM调制,用硬件实现;对已调制波编制成一定格式的信息报文并且通信(磁耦合振荡频率1MHz)用软件实现;对确认的已调波作解调用硬件实现;用解调信号调节误差,由软件编制的PID算法调节,以稳定输出量。在某一个频点上,拟通过PWM调制(改变占空比)来改变实际输出功率大小———细调。使用Saber软件可仿真细调时的波形如图8。通过粗调与细调,以满足对不同被充电设备的功率需求。图9为无线充电器的输入功率与频率的关系曲线图。工程上无线充电效率的测试,可选用任意符合Qi协议的无线接收器,并在接收器的输出端接入功率负载电阻,便可得无线充电系统的输入和输出工作电流,这样就可以根据输入功率和输出功率来计算整个无线充电电源的效率了。传统的开关电源采用AC/DC功率变换,在电压的变化、误差的调节等环节完全采用硬件,即由电子元器件构建电路来实现,其结构框图如图10所示。开关电源的输入量是交流量。将AC/DC变换、DC/DC变换开关电源的性能列表1以作比较。由表1可见,无线充电开关电源在效率与功率输出上尚需要提高。4射频式无线充电技术应以产品的性能为主从长远看,无线充电器在应用上的便捷性倍受市场的青睐。它会被用于环保型EV(电动汽车)和小型智能化电子设备的充电系统,更会被普通家庭所接纳,这样,会使该产品在市场上的占有率大大提高。可见,射频式无线充电技术应用于电子产品领域,势在必行。着眼于当下,无线充电开关电源尚在起步阶段,