一種非接觸充電裝置研究

黃淑華，李廣榮

（1.山東天柱建設監理咨詢有限公司，山東　聊城　252000；2.山東聊城市市政設施養護所，山東　聊城　252000）

一種非接觸充電裝置研究

黃淑華1，李廣榮2

（1.山東天柱建設監理咨詢有限公司，山東聊城252000；2.山東聊城市市政設施養護所，山東聊城252000）

提出一種充電裝置，采用非接觸方法實現電能供給。為了提高裝置的傳輸效率，發射裝置采用LLC諧振電路，通過調節開關頻率的方式進行功率控制。接收裝置采用RLC串聯諧振電路，通過調整固有頻率與發射裝置的激磁頻率相同，產生電磁共振的方式來增大接收功率和效率。

非接觸充電；功率控制；電磁共振

1　非接觸充電技術概述

電器設備中的蓄電池一般是通過充電機（器）和插頭、插座等接口的物理連接來實現的。如在市政道路巡視中經常使用的電動交通工具，在變電站廣泛使用的巡檢機器人等，存在電能補充困難，安全性低，或需要機器人自主定位和插拔等問題，增加系統難度和成本，連接線路容易受到污物腐蝕，使得系統安全性、可靠性及使用壽命降低，引發事故。采用非接觸充電技術可以克服傳統接觸式充電的一些缺陷，避免機械磨損，增強系統的安全性和可靠性。

廣義地說，終端用電設備通過非接觸方式獲取電能的過程就叫非接觸供電，非接觸供電裝置就是一套通過非接觸方式傳輸電能或將其他能量轉化為電能的裝置。非接觸供電的方式有多種，所有攜帶能量的物質形式都有可能用來非接觸供電，如電磁感應、電磁共振、風力發電、太陽能發電、潮汐發電、微波供電、激光供電、遠紅外供電等。風電、太陽能、潮汐等發電方式因設備復雜，體積龐大，技術成熟度等原因不適合直接與終端設備整合成一體，如太陽能汽車，受光照能量密度、裝換效率低，光照變化情況較大的制約，很難從實驗室走向市場。以微波和激光為媒介的非接觸供電在某些方面具有一定的優勢，但會對環境產生較大的影響，特別是對生物產生影響，通常不適于民用。

狹義地說，通常我們把以電磁感應和電磁共振為基礎的非接觸供電方式叫做非接觸供電，其基本原理是通過一次側能量發射線圈與二次側能量接收線圈將電能經過整流濾波和功率調節后提供給用電設備。電能傳輸經歷了二次轉換，即發射部分將電能轉化為磁能，然后由接收部分將磁能轉化為電能。電磁感應的接收線圈通過磁芯的耦合從一次側獲取電能；而電磁共振則是調節接收端的諧振頻率與發射端的諧振頻率相一致，在兩端線圈間產生共振，實現能量的傳遞，現在大部分非接觸供電都是基于這兩種方式實現的。

圖1　變電站巡檢機器人非接觸充電系統結構

2　變電站巡檢機器人非接觸充電裝置

2.1基本思路和系統原理

變電站巡檢機器人非接觸充電系統利用電磁共振理論實現電能的傳輸，系統結構如圖1所示。以發射模塊和接收模塊為分界點，系統結構由兩大部分組成，能量由交流電網工頻輸入，經整流濾波成為直流，并經過功率因數校正（APFC），通過高頻逆變單元給發射模塊提供高頻交變電流。接收模塊與發射模塊組成了松耦合可分離變壓器，調整接收裝置的諧振頻率與發射裝置的激磁頻率相同，可增加電能傳輸容量。電能經過高頻整流和濾波穩壓后提供給電池充電。接收模塊和發射模塊之間通過無線通訊單元對能量變換進行檢測和控制。發射模塊和接收模塊從空間上是分離的，這與傳統開關電源中的變壓器有很大不同。

變電站巡檢機器人車載部分包括接收模塊和整流裝置，而發射模塊和發射主機均在外部，能量傳輸的發射模塊和接收模塊可分離，電能實現非接觸傳輸，大大降低對機器人充電定位準確性的要求，避免了機械磨損，增強了系統的安全性能，簡化了機器人系統。

2.2系統組成

如圖1所示，變電站巡檢機器人非接觸充電系統主要由4個部分組成：發射主機、發射模塊、接收模塊、高頻整流裝置。其中發射主機包括EMS電路、有源功率因數校正電路（APFC）、高頻逆變電路和控制、檢測、驅動、保護、無線通訊電路等，發射和接收模塊主要是線圈和磁芯，整流裝置包括高頻整流、濾波穩壓及控制、檢測電路等。

發射裝置主電路采用LLC拓撲，以單片機L6599和L6561為控制核心，電路結構框圖如圖2所示。電感L1、電容C1、MOS管V1、二極管D1、電容C2和控制芯片L6561及驅動電路組成APFC電路，MOS管V2、V3、電容C3、發射線圈T和半橋諧振控制芯片L6599及驅動電路組成了諧振電路。在APFC電路反常狀態下，為防止半橋V2、V3電壓、電流、開關頻率等超出其調節范圍，L6561發送信號，關閉諧振；在輕載時，為防止APFC輸出過壓，L6599發送信號關閉APFC。

圖2　發射裝置主電路拓撲結構

接收裝置采用帶磁芯的電感與電容、電阻串聯諧振的方式實現，電路拓撲結構如圖3所示。其中，電感T2、電容C4和電阻R1組成接收模塊并與高頻整流裝置的等效電阻、三極管V4一起組成RLC串聯諧振電路，通過調整三極管基極電流可以調整RLC串聯電路固有頻率接近發射裝置的激磁頻率，以增加電能傳輸容量和效率。

圖3　接收裝置主電路拓撲結構

2.3功率控制

假設各功率開關均為理想器件，則APFC高頻逆變和高頻整流可簡化為1個方波電壓源，該電壓源的頻率為功率開關的開關頻率。接收裝置對發射裝置的負載效應等效為1個電阻，可分離變壓器磁阻較大，即使在接收裝置固有頻率和發射裝置激磁頻率相同的情況下，能量傳輸仍然受到很大的限制，因此在分析中整個接收充電裝置可用一個較大的電阻Req等效。發射模塊，即可分離變壓器的一次側和諧振電容可簡化為漏感Ls、激磁電感Lm和諧振電容Cs串聯的等效電路，同樣由于可分離變壓器的磁阻較大，激磁電感Lm很小。則發射主機和發射模塊可簡化為如圖4所示的等效電路。

圖4　發射主機和發射模塊等效電路

根據基爾霍夫定律，可以得電源的輸出電流為

當電路參數確定之后，Is可見電流是確定的，因此電源可以等效為1個電流源，功率控制即可轉化為電壓控制。

電路的傳遞函數為

調整開關管V2、V3的開關頻率即，此時，電路發生諧振，發送裝置的發送功率最大，從式（3）可見調整開關頻率即可以調整傳遞函數，從而調整發送裝置的發送功率。

接收裝置的接收功率取決于接收裝置對發射裝置的負載等效系數，而電路參數、硬件電路和發射模塊與接收模塊間介質一旦確定，負載等效系數就僅僅受到發射線圈和接收線圈的相對位置和接收模塊固有頻率的影響。接收模塊的固有頻率與發射模塊開關頻率相同，并且同步變化，可最大限度地接收發送功率。

接收裝置調整管V4和電阻R1可以用一個可變電阻R來等效，整流輸出和負載可以用一個輸出電阻R0來等效，則接收裝置可等效為如圖5所示的電路。

圖5　接收裝置等效電路

回路阻抗為：

3　裝置試驗

設計變電站巡檢機器人非接觸充電裝置，其輸入為交流220 V，輸出電壓為直流24 V，電流2 A。

處于諧振的條件下，影響充電裝置電能傳輸效率的主要因素有諧振頻率和可分離變壓器的耦合系數。在電路結構及參數確定的情況下，諧振頻率對傳輸效率和容量的影響極其顯著。升高充電裝置的諧振頻率對提高電能的傳輸容量和效率是有益的。但過高的電路變換頻率會大幅增加裝置的設計難度和成本。結合LLC電路成熟應用的工作頻率，此處選擇LLC電路諧振網絡的固有頻率為200 kHz，MOS管的開關頻率采用過諧振的方式，開關頻率控制在200～250 kHz。

將該裝置發射和接收模塊對正，距離約2 cm，分別在0.5 A和2 A負載電流下測得發射裝置MOS管驅動、發射線圈端電壓、接收線圈端電壓、整流輸出端電壓的波形如圖6所示。

圖6　負載試驗波形

試驗發現，在空載的情況下，整套裝置處于間歇工作狀態，工作時的開關頻率接近250 kHz，在0.5 A負載時開關頻率約為226 kHz，在2 A負載時開關頻率約為208 kHz。滿載情況下測量得整機效率約為81.5%。

4　結語

裝置。為提高裝置的傳輸效率，發射裝置采用LLC諧振電路，通過調節開關頻率的方式進行功率控制；接收裝置采用RLC串聯諧振電路，通過調整固有頻率與發射裝置的激磁頻率相同，產生電磁共振的方式來增大接收功率和效率。這種裝置接收和發射在物理上是分開的，中間是空氣和非金屬機殼，實現了電能的非接觸傳輸。這種裝置和技術可以在電動交通工具、變電站巡檢機器人等裝置上應用，可以降低觸電風險，減少機械磨損，提高設備的安全性和可靠性。

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研究一種采用非接觸方法實現電能供給的充電

An Apparatus of Contactless Charging Technology

HUANG Shuhua1，LI Guangrong2
（1.Shandong Tianzhu Construction Supervision Consulting Co.，Ltd.，Liaocheng 252000，China；2.Shandong Liaocheng Municipal Facilities Maintenance，Liaocheng 252000，China）

A contactless charging apparatus is studied in this paper.In order to improve the transmission efficiency of the apparatus，LLC resonant circuit is applied，in which the power can be controlled by adjusting the switching frequency.The RLC series resonant circuit is used in the receiving device，the natural frequency of which can be adjusted as the same as the excitation frequency of the emission device.The received power and efficiency of the receiving device can be increased with electromagnetic resonance.

contactless charging；power controlled；electromagnetic resonance

TM910.6

B

1007-9904（2015）11-0066-04

2015-06-13

黃淑華（1978），女，工程師，從事工程監理相關工作；

李廣榮（1972），女，經濟師，從事市政道路工程相關工作。