感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究

感应親合式锂电池无线充电平台设计研究论文作者签名:______________指导教师签名:论文评阅人1:马皓教授________________评阅人2:_____胡岩教授________________评阅人3:_____林平副教授_______________评阅人4:__________________________评阅人5:_________________________答辩委员会主席：_____悅光正教授_______________委员1:_____杨仕友__教授______________委员2:章讳副教授________________委员3:_______林平..副教授_________________委员4:李玉玲副教授______________委员5:____________________________答辩日期：2013年3月8曰浙江大学研宄生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙0：大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名^^^签字日期：年4月名日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数齒库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名导师签名：签字曰期：年}月&曰签字曰期：年$月（0曰摘要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宄，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。关键词：可分离变压器，SS补偿方式，频率分叉，锁相环，恒流控制，全桥逆变。AbstractTheconsumptionofpoweriscloselyrelatedtothedevelopmentofhumansociety,andhasbecomeanindispensableformofenergyinpeople’sdailylifetoday.Withtherapidprogressofpowerelectronicstechnology,thetransmission,distributionanduseofpowerarealsoundergoingchangeswitheachpassingday.Butingeneral,thedeliveryofpowerinworldwideisstillusingthetraditionaltransmissionmode,wireconductionofelectricalconnection.Thismakesthesparks,carbondeposits,mechanicalwearandsoon,tobeinevitable.Insomespecialoccasions,suchasthechemicalindustry,mines,underwaterenvironment,theelectricalarcwillenoughleadtoaccidents.Inmedicalfield,theartificialhearthassuccessfullyimplanted.Thecharginginvitrooforgansbatterychallengesthetraditionalpowertransmission,makeswirelesstransmissiontechnologycameintobeing.Thispapergivesin-depthstudyoninductivelycoupledwirelesschargingplatformformulti-lithiumbatteries,andalsobuildsaprototypeunderlaboratoryconditionsfortheoryverification.Thispaperanalyzesthecircuittopologyofinductivelywirelesspowertransfersystem,givesdetailedmodelinganalysisandtheoreticalderivationaboutimportantpartsofsystemcircuits,suchasseparabletransformer,thecompensationcircuit.Theseparabletransformerusesmutualinductancemodel;analyzeseightkindsofcompensationmethodsindetail;andfinallyusingtheSSmode.Inthiscase,thesystemhasconstantcurrentsourcecharacteristics,andtheparasiticresistanceofthewindingdoesnotaffectthecompensationcapacitorhavingamostsimpleform.TelltherelationshipbetweenACequivalentresistanceandDCresistance,theoptimaldesignframeworkofsinglelithiumbatterywirelesschargingplatform,thehardwarecircuitofchargemanagementchipbq2057,aswellasthephase-lockedloopHEF4046B.DeducethecauseandeliminateconditionoffrequencybifurcationwhenusingSScompensation.Accordingtothevoltagegaincharacteristic,thevoltagestressofLCdevices,thecurrent-carryingcapacityoftheinductioncoil,calculatethecircuitparametersofthesystemstepbystep,togivetheoptimaldesign.Consideringchargingcircuitincludesdifferentstates,thepaperputsforwardtheideaofthestandardcurrentcontrolmethodwhensingle-load.Thecontrolschemeissimpleinprinciple,hasthreeadvantages.Finally,underlaboratoryconditions,buildtheprototypetoverifythefeasibilityofthisdesignthroughmeasuringexperimentalparameters.Thepaperprovidessystemblockdiagramofthemulti-loadwirelesspowertransmission,twoloads,forexample,deducestherelationoftheoutputpoweroftheprimarycoilwiththechangeofloadresistor,whenconstantvoltageintheprimaryside,constantcurrentrespectively.Morespecifically,forthecircuitoflithiumbatterychargingplatformsystem,thecontrolschemeofconstantcurrentintheprimarysideisgiven,comparingwiththemaximumtransmissionpowercontrolscheme.Theconstantcurrentinprimarysideachievesthedecouplingcontrolofthesecondarysidecoil.Theprimarysideusesfull-bridgeinvertercircuit,achievesphase-shiftcontrolwithUC3875.Thefull-bridgeconverteradoptsZVZCSsoft-switchingtechnology,andthepaperintroducestheworkingprincipleoftheprimarycircuitunderZVZCSindetail.Keywords：Separabletransformer,SScompensation,phase-lockedloop,frequencybifurcation,constantcurrentcontrol,full-bridgeinverter;目录m^.......................................................................................................................................................IAbstract.................................................................