运用感应电力传输技术的锂离子充电器

摘 要：本文提出了一种运用感应式电力传输系统技术制作的锂离子电池充电器，该系统没有金属连接，采用了感应充电的磁耦合结构，提高了充电系统的安全性和方便性。EER铁氧体磁芯用于传输功率，通过电容器补偿到初级侧和次级侧，以达到提高转换效率的目的。最后本文主要对3.7V/3000m Ah的锂离子电池进行了仿真分析。

关键词：感应电力传输；磁耦合；锂离子电池

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0056-02

Abstract：A lithium-ion battery charger system based on inductive power transmission technology is proposed in this paper. The system has no metal connection. The magnetic coupling structure of induction charging is adopted to improve the safety and convenience of the charging system. EER ferrite cores are used to transfer power and compensate the primary side and secondary side through capacitors to improve the conversion efficiency. Finally，the simulation analysis of 3.7V/3000m Ah lithium ion battery is carried out in this paper.

Keywords：inductive power transmission；magnetic coupling；lithium ion battery

0 引 言

随着现代化经济逐步向低碳节能的方向发展，人们也开始逐渐把目光转移到对清洁能源的关注上。锂离子电池能量质比大，使用时间长，不会产生记忆效应，放电特性好，无污染，因此一经面市便受到了人们的广泛关注，并呈现出大力发展的趋势。小到手机、相机，大到电动汽车、飞机等，随着锂离子电池的飞速发展，充电技术也越来越受到了人们的关注与重视。

传统的充电器通过导线与金属点直接相连，这种充电方式被广泛使用电气产品，但是由于使用时间过长绝缘橡胶脱落，不可避免会造成电流泄露和短路情况发生。同时，由于长时间置于潮湿空气中，金属触点不可避免会发生氧化和生锈，这将会导致接触不良等问题的发生。此外，金属接触电力传输不适合一些工作场所，如采油，天然气和化工工业，由于金属触点的火花极易造成事故。

基于上述原因，感应功率传输技术近年得到了人们的广泛关注。感应电能传输技术可以避免由于金属直接接触而发生的电流泄露，并解决锈蚀引起的不良接触问题。不但使用安全而且可以在一些特殊场合使用。现在感应电力传输技术可以分为两种类型：电磁感应法和电场感应法。第一种电磁感应方式的电力传输基于磁感应，称为ICPT（电感非接触式电力传输），这种技术应用相当广泛，ICPT使用初级侧线圈通过交流产生感应磁场，并且次级侧线圈感应磁场产生输出到负载的交流电。该方法利用电生磁以及磁生电来达到传输目的。第二种电力传输的方法是基于电场感应，称为CCPT（电容式非接触式电源传输）。CCPT使用两个初级侧的金属板通过交流电压产生感应电场当金属板足够靠近时，在板之间形成交变电场，形成可流过的位移电流，从而实现感应电力传输。本文选择第一种方法来实现电能的传输。

1 充电架构

充电装置中无谐振耦合时，系统的输出功率较低，一次侧采用半桥转换器，可平衡输入电压，降低开关的电压应力，提升铁芯利用率，但开关的额定电流应力加倍。此外，半桥转换器需要与其它转换器相比要有相同的输入电容。

为了提高效率并改善伏秒不平衡，我们可以选择增加补偿电容。同时利用谐振电路产生较大的磁场。假定S代表串联谐振电路，P表示并联谐振电路。

当电路工作在谐振频率时，容性阻抗和感性阻抗将会在电路中相互抵消。因此，电压和电流可以同相，并且被认为是纯粹的电阻电路。也就是说，当发生谐振时，阻抗最小，输入电流最大波形接近正弦波，谐振电压在电感线圈较大。当电路工作时谐振频率，次级侧可以具有最高的输出电压。基于上述考虑，耦合电路的结构我们选择一次侧串联谐振二次侧并联谐振形成新的充电装置结构图，如图1所示。

输入电压经过单项桥式半控整流电路将AC变为DC，经过半桥转换器后发生谐振，传递给二次侧，然后经过整流变为DC，然后boost斩波电路降低到锂离子的充电电压。

为了简化分析过程，不考虑电感器的线路电阻和电容器的等效串联电阻，并且需要通过下面的分析来分析初级侧和次级侧的谐振电容器值。

初级侧和次级侧的电感值可以通过制造具有磁芯的感应线圈来获得，其决定了谐振频率。通过公式（7）和（10）我们可以得到合适的电容值。初级侧和次级侧由EER-35型铁氧体磁芯制成并且其结构时两个对立的M型。

2 仿真分析

在模拟分析中使用的电路参数可以通过科学合理的选用，本次分析选用的参数如下：LP=14.19μH；LS=14.62μH；CP=3.51μF；CS=0.69μF；LOP=83.03μH；LSC=16.96μH；M=12.83μH；fr=50KHz；

半桥转换器中有两个MOFET管，开关管S1和S2的为180度正偏和180度反偏，且开关管S1和S2的驱动信号互补，S1导通时S2关闭，S2导通时S1关闭。直流电源输入到半桥转换器产生交流方波，其幅值为输入的一半。

输出的交流正弦波通过全桥整流器和电容滤波器后产生稳定的直流Vd为11.3V，并通过boost降压斩波电路降压输出稳定的4.46V直流电压。

根据仿真分析，实验采用带补偿电容的电感结构进行波形测量。实验结果和仿真分析将用于验证所提出的系统的特性。

3 结 论

文本介绍了一种运用感应电力传输技术的锂离子充电器，并通过增加补偿电容提高了变换效率，同时对装置的硬件和算法进行了设计。最后搭建了实验平台，此平台能够较好地实现锂动力电池的充放电要求，验证了该装置电路拓扑结构及控制方案的可行性，为未来动力锂电池充放电设备的进一步研制提供了某些借鉴。

参考文献：

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作者简介：徐斯（1981-），男，湖南常德人，助教，本科。研究方向：电力电子技术在电力系统中应用等。