锂电池无线充电系统设计Word下载.docx

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摘要

随着电子技术的快速发展，智能手机、平板电脑等便携式设备的功能变得更加丰富，给生活和通讯带来了极大的便利，同时也增加了消费者使用便携式设备的频率。

然而目前便携式设备中锂电池的电量无法给设备提供较长的续航时间，人们在外出时经常会遇到手机没电等问题。

此外，目前便携式设备大多采用有线充电的方式，如果消费者找不到数据线就无法给移动设备充电。

因此采用无线充电方式给便携设备充电的相关产品，开始逐渐在市场上出现。

本文针对锂电池充电问题，设计了无线充电器，从而满足消费者对充电方式的不同需求。

无线充电器虽然电能转换效率不高，但在充电过程中便携式设备无需通过USB数据线与其连接，充电方式更为便捷。

无线充电器通过Atmegal6单片机产生频率可调的方波来驱动全桥逆变器，将直流电能转换为变化的磁场，最后传递到接收端将其转为电能给锂电池充电。

此款无线充电器开机后能够自动识别负载，并在充电过程中时刻检测电流、电压等反馈信号，从而控制系统在安全的范围内工作。

关键词：

锂电池充电；

无线充电；

电磁感应；

全桥逆变；

TP4056

第1章绪论

1.1课题设计的背景

尽管目前智能手机的锂电池容量基本上都有1500mAh，很多智能手机用户仍面临着一日一充的窘境。

为了避免在外出的时候手机没电，人们不得不在出发之前把手机电量充到最饱。

2006年6月1日到2013年5月12日，近7年的用户互联网搜索指数显示，从2007年至2010年上半年，消费者对于移动电源的搜索量处于较低的水平，而在2010年下半年到2013年，搜索量快速增长，其上升曲线几乎成垂直趋势。

一个容量为10000mAh的移动电源可以给容量为1500mAh的手机电池提供大约4次充电循环，延长了便携设备续航能力。

当用户在室内需要给便携式设备充电时，就得去找相应的USB数据线，并且长长的数据线会让桌面显得凌乱。

在充电期间如有来电，还得拔掉数据线接听电话显得非常不便。

于是，无线充电器的应用市场油然而生。

无线充电方式通常采用的是电磁感应原理，首先便携式设备内部需要添加一个能够接收电能的线圈。

在无线电能发射装置中控制器通过对PWM频率的控制，使得发射线圈中流过合适的交变电流，从而在发射线圈的周围产生变化的磁场。

接收线圈将变换的磁场能转换为电能，经整流、滤波、稳压后输出5V电压给便携式设备中的锂电池充电。

无线充电方式具有以下几个优点:

第一，手机等便携式设备的USB接口可以省掉，手机电能和信息的传输均可采用无线的方式。

这可以让便携式设备的密闭性做得更好，防止产品一进水就坏的现象;

第二，简化了充电的步骤，消费者在使用手机的过程中，想要充电时只需将手

机靠近无线电能的发射装置。

在充电过程中如果有来短信或是电话，可以直接拿出手机结束充电，用完后再直接放回充电即可。

第二，在无线充电标准建立之后，一个无线电能发射器可以给不同类型的数码产品充电，提高充电设备资源利用率。

1.2研究目的和意义

伴随着便携式设备功能的多样化，耗电量的增加，消费者给便携式设备充电的频率也在提高。

因此移动码数产品的充电方式也应该要变得多样化，从而能够满足消费者在不同场合下都能及时给产品中锂电池充电的需求。

本文设计了便携式设备无线充电系统，无线充电系统主要为了方便消费者在室内的环境下，能够更加轻松地实现对便携式设备充电的目的。

有线充电方式和无线充电方式都有他们各自的优点，不能说无线充电就比有线更为先进，更不能断定无线充电在将来会代替有线充电的方式，因为在不同的场合它们各有千秋。

无线充电的优点:

①不需要留有充电用的USB接口，可以提高产品的封闭性，消除进水的隐患。

②一个无线充电发射装置能够给多种产品提供充电，尤其是建立统一标准后。

③可以给用户提供具有现代感的使用体验。

无线充电的缺点:

①电能利用率较低，因为电能是通过两个非接触的线圈来传递的。

②制作成本较高，市场推广难度大。

③便携式设备内部需要加一个无线电能接收线圈，现阶段的大部分产品并没有留无线充电的接口，用户很难自行接上线圈。

1.3国内外研究现状及发展趋势

（1）现阶段消费者除了通过原厂配备的充电器给便携式设备充电之外，普遍采用的是通过移动电源来补充电池的电量，无线充电方式不是很普遍还有较大的发展潜力。

（2）无线充电的发展历时比较长久，早在一百多年前著名的物理学家特斯拉就曾设想通过电磁共振的方式来实现无线电能的传输，被人们称为无线电能传输之父。

在20世纪60年代初，Raytheon公司的布朗做了大量有关无线电能传输的研究，奠定了无线电能传输的实验基础[1]目前无线电能传输主要采用三种方式分别为:

电磁感应、无线电波、共振作用[2]。

在便携式设备锂电池充电领域，主要采用的是电磁感应方式来传输电能。

（3）2010年8月31日，无线充电联盟（WPC）在北京将QI技术引入中国[6]。

QI技术主要是解决无线充电通用性的瓶颈，不同品牌的产品只要有QI的标志，就可以用QI无线充电器给产品充电。

目前QI标准规定的最大输出功率为5W，此标准在手机产品中应用的比较广泛。

国内美创公司生产的无线充电就是采用OI的标准。

（4）2014年飞思卡尔发布的新技术将无线充电功率从目前最高5W提升到了15W这将极大缩短充电所需时间，并且该技术还兼容业界其他无线充电模块，搭载该项新技术的设备最快将于2015年下半年问世。

移动电源的输出功率变得更大，能够为更多的产品充电，并且安全性变得更高。

无线充电方式随着技术上的进步，充电的效率将会进一步提高，生产成本变得更低，更适合市场的推广。

在未来的家庭中，可能只需一个无线电能发射底座就可以给房间里的电子设备进行供电[3]

1.4本文研究内容

本文主要研究了供锂电池无线充电技术的原理，分别设计了无线充电系统。

本文该系统均进行了理论分析和初步调试检测。

本文总体安排由以下4章组成:

第1章，介绍了锂电池充电的无线充电系统研究背景，研究目的和意义，以及国内外研究现状和发展趋势。

第2章，无线充电系统主要原理分析

第3章，无线充电系统设计。

研究无线充电系统发射模块和接收模块的电路设计和相关控制流程。

第4章，工作总结与展望。

第2章无线充电系统主要原理分析

2.1无线充电技术的原理

无线供电技术主要有三种实现形式，因此原理也不尽相同，这里分别简要介绍：

2.1.1近场耦合式

这一形式通过近场电磁感应实现电能传输，是当前工程领域中最为可行的电能传输方式，其通过将交变电流在原线圈产生的电磁场耦合到副线圈上，实现无线供电。

这种形式传输距离非常近（一般小于5mm），主要应用于便携式消费电子产品、医疗非接触式产品、无线充电等。

2.1.2磁场共振式

这一形式通过非辐射磁场内两线圈的共振效应实现中距离的无线供电（供电距离一般不超过1m）。

2.1.3微波辐射式

这一方式通过电波的形式在远场范围内采用定向天线或高质量的平行激光束实现远距离供电（一般认为最远可实现3.6万km），在发射端将电能转化为射频功率并以可控、低损的方式将其以微波形式辐射出去，在接收端则利用整流天线等装置将微波能量转换为直流或交流电能。

这一形式主要用于卫星、太阳能发电的传输系统等。

2.2无线充电电路模型

本文研究锂电池无线充电系统，所以选用近场耦合式无线充电技术。

初级线圈和次级线圈藕合建模的有传统变压器模型和互感模型两种分析方法。

传统的理

想变压器模型，漏磁很小，可以忽略，因而可以用线圈的匝数比来分析藕合效应，例如:

初、

次级电压电流值、传输功率等参数。

互感模型是通过初次级绕组间的感应电压和反映电压来

描述初、次级系统间的藕合效应。

其中感应电压表示初级对次级的影响，反映电压表示次级

对初级的影响。

感应电压与反映电压都可以通过互感来表示，不必关心具体的漏感参数，这

是互感模型的优势。

传统变压器的藕合系数一般可以在0.950.98之间，但是无线充电系统的两个线圈藕合性能较差，藕合系数一般在0.8以下，漏感较大，每圈绕组包含的磁通量也并不相同，因此适合采用互感模型来分析电路原理[4]。

无线充电系统互感模型如下:

2.3耦合性能分析及功率补偿

在功率因数较小的无线充电系统中，接收端部分要获得足够多的有用功率时，发射端就要提供更大的功率，这会增加了发射端电路的负担和损耗。

为了改善回路的性能，提高系统的功率因数，需要对系统添加无功补偿，从而提高电能的传输效率。

加入补偿电容，能够提高系统的电能传输能力，且当系统处于谐振状态时输出的功率最大。

功率因数的大小与负载的性质有关，例如纯阻性负载的功率因数就为1，但是发射端和接收端是通过线圈传递能量，线圈具有电感的特性，而会产生虚功，导致功率因数变小。

系统中功率因数低说明，电路中的无功功率大，能量的利用率低。

在功率因数较小的无线充电系统中，接收端部分要获得足够多的有用功率时，发射端就要提供更大的功率，这会增加了发射端电路的负担和损耗[5]。

为了改善回路的性能，提高系统的功率因数，需要对系统添加无功补偿，从而提高电能的传输效率

2.4本章小结

在无线充电系统原理分析中，采用互感模型的分析方法，得到次级线圈对初级线圈的反映阻抗表达式，次级线圈和初级线圈电流的关系。

通过对两个线圈藕合性能的分析可知，加入补偿电容，能够提高系统的电能传输能力，且当系统处于谐振状态时输出的功率最大。

通过对本章电路模型的分析，能够为实际电路功能设计和元件选取提供指导方向。

第3章无线充电系统设计

此款便携式设备无线充电系统包括两个部分：

第一部分无线电能发射模块。

第二部分无线电能接收模块。

在工作时，发射部分首先将直流电（通过外部适配器获得）送入逆变电路，将其转化为所需频率的交流电，再通过线圈将其能量发射出去；

接收部分通过电磁感应耦合接收该交流电，并将其整流、滤波，然后稳压输出5V给便携式设备中的锂电池。

系统通过MCU来检测发射部分的电流和电压参数，通过改变PWM输出频率实现对传输电能大小的控制。

此款无线充电系统开机后能够自动识别负载，调整输出功率，并在电能传输过程中时刻检测电流、电压等反馈信号，从而控制系统在安全的范围工作。

系统框图如图3-1所示：

系统框图图3-1

3.1电能发射模块电路设计

3.1.1电压型全桥逆变电路

逆变电路根据直流输入端电源性质的不同可以分为两种类型：

直流输入端是电压源的称为电压型逆变电路；

直流输入端是电流源的称为电流型逆变电路[6]。

便携式设备无线充电系统中采用的是电压型逆变电路结构，其结构有以下几个特点[7]：

（1）直流侧的电压基本无脉动，回路阻抗低。

（2）直流电压源有钳位作用，交流输出端的电压波形为矩形波，负载的电流波形近似为正弦波。

（3）直流侧电容起到无功能量缓冲的作用。

因此需要在逆变器各臂并联反馈二极管，给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。

电压型全桥逆变电路如图3-2所示：

电压型全桥逆变电路图3-2

这样就把直流电转化成了交流电，通过改变两组NMOS开关管工作频率，即可控制输出交流电的频率。

其仿真结果如下图3-3所示

图3-3

3.1.1.2元器件的选择

此款无线充电系统中电能发送模块输入电压为9V，最大输入电流为1A，输入模块的电能由适配器输出直流电直接提供；

接收模块稳压后的输出电压为5A，最大输出电流为700mA。

逆变器的工作频率在129~235kHz。

3.1.2开关管驱动电路

从上一小节全桥逆变电路图中，可以发现开关管1V和3V的源极是悬浮于系统的地。

设系统的地为零电位，则1V和3V的源极电位有时为高电位