多节串并联锂电池智能无线充放电系统
杨柳, 赵雪岑, 周平, 张刚平, 黄耀熊. 多节串并联锂电池智能无线充放电系统[J].云南大学学报(自然科学版), ): 264-271.
YANG Liu, ZHAO Xue-cen, ZHOU Ping, ZHANG Gang-ping, HUANG Yao-xiong. On an intelligent wireless charging and discharging system for lithium-ion battery packs[J]. Journal of Yunnan University(Natural Sciences),
): 264-271.&&
Doi:10.7540/j.ynu.
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多节串并联锂电池智能无线充放电系统
1.暨南大学 生命科学技术学院 生物医学工程系,广东 广州 510006
2.广东食品药品职业学院 医疗器械学院,广东 广州 510520
通信作者：黄耀熊(1951-),男,广东人,教授,博士生导师,主要从事医学物理研究.E-mail:.
作者简介:杨柳(1991-),男,河南人,硕士生,主要从事生物医学光电子技术研究.E-mail:.
基金: 广东省科技计划项目(11,06);广州市科技计划项目(08);广东食品药品职业学院自然科学研究项目().
介绍一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统.本多节串并联连接电池智能无线充放电系统,包括一锂离子电池智能充放电管理系统及一电磁感应式无线电能传输系统.智能充放电管理系统采用分级定电流的充电方式对电池进行充电.具有输入低电压锁存,温度监测,电池端过压保护和充电状态指示等功能.还具有过放保护及电池充电完成后的恢复电路.系统的无线充电效率接近70%,对不同串并联方式连接的所有锂电池电压均可充至4.1V以上,接近单节锂电池的满充电压4.2V.不同锂电池最大电压差仅为0.03V,达到了智能均匀充电的效果.放电测试表明电路均在10.3V左右关断,起到了保护锂电池组,延长锂电池组使用寿命的效果.
中图分类号:TM910.6
文献标志码:A
文章编号:18)02-0264-08
On an intelligent wireless charging and discharging system for lithium-ion battery packs
YANG Liu1,
ZHAO Xue-cen1,
ZHOU Ping1,
ZHANG Gang-ping2,
HUANG Yao-xiong1
1.Department of Biomedical Engineering,College of Life Science and Technology,Jinan University,Guangzhou 510006,China
2.Department of Medical Apparatus and Instruments,Guangdong Food and Drug Vocational College,Guangzhou 510520,China
An intelligent wireless charging and discharging system for lithium-ion battery packs has been proposed in this paper.The system mainly consists of two parts:a wireless power transmission based on electromagnetic induction and an intelligent lithium-ion battery charging/ discharging management system.This system charges battery packs connected in different series and parallel ways by constant current/ constant voltage method with input/output under voltage lock-out protection,output over voltage protection,charging status indicators,temperature indicator and after charging recovery function.The highest charging efficiency of this system is close to 70%.The voltages of all cells after charging are higher than 4.1V,close to full voltage 4.2V and the maximum voltage difference is less than 0.03V,which achieves the effect of intelligent balancing charging.The discharging test shows that the circuit is always lock out at about 10.3V which protects and prolongs service life of the battery packs.
wireless charging;
electromagnetic induction;
lithium-ion battery packs
随着无线充电技术的发展, 越来越多的无线充电设备开始出现, 如电磁感应式、磁耦合谐振式等[], 但无线充电的接收端多针对锂电池单体设计.而在一些便携式、穿戴式电子设备中, 由于内部空间的限制, 常由多节小型锂电池串、并联供电, 满足不同的电流和电压需求.但制造工艺无法保证同规格锂电池单体的内阻完全一致, 导致各锂电池的容量、充放电流等性能不全相同.多次充放电会增大各锂电池单体之间的差异, 缩短锂电池组的使用寿命.为实现对多节串并联锂电池组无线充电及放电保护、延长其使用周期, 需要寻找高效的无线充电方式及对锂电池组进行智能管理的方式.近年来, 国内外的研究一直在推动无线充电技术的发展:Moon等[]研究了收发线圈的特性对于无线充电效率的影响; 吕玥珑[]研究了磁耦合谐振式无线电能传输的特性; Zhen等[]提出了一种基于无线传输传输功率跟踪的负载检测方法; Boscain等[]提出了一种通过改变接收端电路结构来提高无线充电器传输效率的方法.在锂电池的充放电管理方面, 李泓[]阐明了在锂电池充放电过程中电压、电流的合适范围; 王彪[]提出了基于分时复用的锂电池均衡充电策略; 潘力[]提出了一种对锂电池充电模块的设计.由于磁耦合谐振技术调试较为复杂、效率一般、成本较高, 不适用于便携穿戴式设备.因此本文提出了一种基于电磁感应技术的多节串并联锂电池的智能无线充放电系统, 通过高发射频率提高了系统的充电效率, 使用分级定电流技术实现对锂电池组高效的充电, 通过温度监测、过压保护等功能保障充电的安全, 同时设计低压锁存电路保护电池组.试验结果表明, 在一定条件下本系统的无线充电效率接近70%, 锂电池组内各电池的充电结束电压较为一致, 并可在设定的阈值电压处关断电路, 实现了对锂电池组的智能充放电保护.1 系统整体结构系统硬件结构见图1.由一电磁感应式无线充电电路组成的, 包括一发射线圈及有关电路以及一接收线圈和有关电路组成的无线电能传输系统, 其发射端将直流电转化为高频交流电, 并产生变化的磁场[, ].接收线圈感应到交变的磁场后产生电场, 将交流电转化为直流电供能, 将其输送到智能充放电管理系统.后者包括充放电电流智能控制部分、低压锁存部分、过放保护部分、温度监测部分以及状态指示等部分, 进行对多节不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电.图1Fig.1 图1 系统硬件结构Fig.1 Device hardware block diagram1.1 锂离子电池充放电管理液态锂离子电池和聚合物锂离子电池统称为锂离子电池.液态锂离子电池于1990年最早被日本索尼公司研发成功, 相较于其他高能二次电池(镍氢、镍镉蓄电池等), 具有单体电压高、单位体积能量高、单位质量能量高、无记忆效应等优点.而随之研制成功的聚合物锂离子电池, 其电解质不易流动, 故安全性较高, 且易于加工成任意形状大小, 适用于各种便携式设备, 逐渐在各领域取代了传统电池的地位.如无特殊说明, 下文中锂电池代表聚合物锂离子电池.众所周知, 锂元素化学性质极其活泼, 而充放电的化学反应主要就是氧化还原反应.如果使用环境或者方法有出现问题, 就极易导致电池胀气、漏液甚至起火爆炸的危险, 其中最常发生的就是过充引起的爆炸以及过放造成的电池性能下降.故目前绝大多数市售锂电池单体均带有过充、过放保护电路, 保护电池的电压处在2.7~4.2V之间, 以延长锂电池的使用寿命.当锂电池串并联形成电池组时, 由于制作工艺造成电池各单体间必然有差异性, 如不加以保护电路, 经一段时间的使用后电池电量差异性增大.在充电方面影响稍小一些, 因为充满电压不会改变, 但放电方面会有容量小的电池先放电完毕, 而其余电池还未完全放电, 此时因为锂电池的过放保护电路, 整个锂电池组已不能工作.从宏观上看, 造成整个锂电池组电量下降.为解决以上问题, 延长锂电池组的使用寿命, 我们需要针对其特点设计出合适的充电管理策略以及放电保护方法.1.2 锂离子电池充电策略由于锂电池理化性质较为特殊, 恒流充电法和恒压充电法对电池伤害很大, 导致其需要特殊的充电策略来保证使用寿命和效果.一般有限压恒流充电法和分级定电流充电法(分段式充电法)2种.1.2.1 限压恒流充电法 与恒流充电法不同, 限压恒流充电法类似脉冲充电的效果.以恒流对锂电池进行充电一段时间, 电池电压上升, 当电池电压达到预设值时停止充电.然后锂电池电压下降, 在锂电池电压小于另一预设值时继续以恒流充电.反复进行, 直至充电完成.这样可以避免电池长期处于充电态, 并且锂电池在停止充电的间隙可以散热, 进而延长了锂电池的使用寿命.但这种方法的代价是恒流源的引入以及充电时间成本的增加, 故本设计中未采用这种方式.1.2.2 分级定电流充电法 可以认为分级定电流法是一种更加复杂的分段式充电法, 该方法将充电过程分为预充电阶段(涓流充电阶段)、恒流充电阶段、恒压充电阶段及充电终止阶段, 多了一个预充电阶段[].因此需要对电池电压进行监控, 当锂电池电压过低时, 如小于2.7V时, 不能采用过大电流进行充电, 一般采用0.1C电流(C的值即为锂电池的容量的值, 如1200mA· h的锂电池, 1C即为1.2A)电流进行充电, 直至大于2.7V.然后进入恒流充电阶段, 以小于1C的电流进行充电, 直至冲到预设值, 如4.2V, 然后以此电压恒压充电.当充电电流小于预设值时, 进入充电终止阶段, 认为锂电池已充满, 结束充电.这种充电方式是最接近锂电池理化性质的方式, 已经被广泛采用, 适合本系统中使用.针对本系统一具体实例中对3/6/9节串并联锂电池组进行充电的情况, 我们设置的分级充电管理办法是:电池组电压在8.1V(即3× 2.7V)以下为预充电阶段, 使用0.05A电流进行充电; 超过8.1V进入恒流充电阶段, 采用0.5A电流进行充电, 直至到达12.6V结束恒流充电阶段.进入恒压充电阶段后, 系统充电电流根据电池需要逐渐下降, 直至达到0.05A时恒压充电结束, 进入充电终止阶段, 完成整个充电过程.1.2.3 锂电池充电管理 针对某便携医疗设备, 需对3/6/9节串并联锂电池组进行充电, 其充电电压应精确达到12.6V, 故采用集成电路芯片进行设计.本设计包含充电电流智能控制部分、低压锁存部分、状态指示部分以及温度监测4个部分, 均是通过由特别设计的以图2所示的HM4063集成电路芯片为主体的电路实现.实现对锂电池组充电进行自动管理, 在充放电电流智能控制部分, 采用分级定电流的充电方式进行充电.图2Fig.2 图2 充电管理电路原理图Fig.2 Schematic of charging management低压锁存部分, 是对充电端实行低压锁存.即HM4063集成电路芯片内部的低电压锁存电路监测充电时的输入电压, 当输入电压低于6V时, 便认为此电压不足以对电池实施充电, 从而将内部电路关断, 充电器不工作.状态指示部分, 用于显示充放电状态.HM4063有2个漏极开路状态指示输出端:CHRG管脚和DONE管脚.在充电状态, CHRG管脚被内部晶体管下拉到低电平, 在其它状态CHRG管脚为高阻态.充电时只有红灯亮.在充电结束状态, DONE管脚被内部晶体管下拉到低电平, 在其它状态DONE管脚为高阻态.充电结束只有绿灯亮.当电池没有接到充电器时, HM4063将输出电容充电到恒压充电电压, 并进入充电结束状态.由于BAT管脚的工作电流对输出电容的放电效应, BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值, HM4063再次进入充电状态, 这样在BAT管脚形成一个锯齿波形, 同时CHRG输出脉冲信号表示没有安装电池.当电池连接端BAT管脚的外接电容为10&#x003 F时, 脉冲的频率大约为10Hz.当红绿灯均未亮时, 可能有3种情况:①输入电压低于输入所存电压6V; ②输入电压低于电池电压; ③电池温度异常.温度监测部分是用于监测电池的温度.采用一个紧贴电池的负温度系数的热敏电阻来对电池温度进行监测.此电阻(NTC热敏电阻)TH11-3H103F连接在TEMP管脚和地之间.在芯片内部, TEMP管脚连接到2个比较器的输入端, 其低电压阈值为175mV, 对应正常温度范围的上限温度点:50℃.而当高电压阈值为1.6V, 对应正常温度范围的下限温度点:0℃.TEMP管脚的上拉电流为50&#x003 A, 所以负温度系数的热敏电阻值在25℃时为10kΩ , 在上限温度点时其电阻值大约为3.5kΩ (约对应50℃); 在下限温度点时其电阻值大约为32kΩ (约对应0℃).当电池的温度超出可以接受的范围时, 充电将被暂时停止, 防止出现电池因温度过高而可能出现的任何事故.直到电池温度回复到正常范围内.1.3 锂电池组放电保护本设计中采用的锂电池单体均有过充、过放、短路保护等功能, 但由于制造技术导致各锂电池单体内阻及实际电池容量等均有所不同.故当多节锂电池串联工作时, 如不加以保护, 有的锂电池单体电压会较快下降到过放保护电压(如2.7V), 该锂电池单体保护芯片便会关断锂电池, 造成与该锂电池串联的其它锂电池断路, 整个锂电池组无法继续进行充电.常规的充电方式是对整个串联电路进行充电, 多次充放电后由于电池的损耗会加大串联电路中各锂电池单体间的差异, 使得电压下降较快的锂电池单体电压下降速度更快, 整个电池组工作时间更短, 从整体上看电池组容量下降.为保证锂电池组的使用寿命, 需要对整个锂电池组设置过放保护.具体方法是通过以LM393D集成电路芯片为主体的有关电路实现, 对锂电池组的放电进行自动管理.其电路实际上是一个低压锁存电路, 其基本原理是当电池组电压低于设定值时关断电路, 当电池充电完成后恢复电路.具体是通过采样电池组电压与电压基准芯片D1产生的电压相比较, 若大于则正常工作, 若小于则关断电路中的Q1(一金属氧化物半导体场效应晶体管), 使电池组停止放电.例如一般锂电池的停止工作电压为2.7V, 故若被充电的电池组为3节串连时, 则设置低压锁存电压为10V, 其对应的每一电池单体理论停止电压为10V/3&#x0V.这样可以保证在较长的使用周期内所有锂电池电压均大于2.7V, 没有过放电, 客观上减小了各锂电池单体间的差异、保护了整个锂电池组.锂电池组放电保护电路是整个电池组的第1重保护, 锂电池单体的放电保护功能是第2重保护, 通过设置合适的电池组保护电压, 可以保证锂电池组的使用寿命.其电路设计如图3所示.图3Fig.3 图3 低电压锁存原理图Fig.3 Schematic of UVLO (under voltage lock-out)2 无线电能传输自2008年12月无线充电联盟WPC(Wireless Power Consortium)成立以来, 无线充电作为一项实用的技术正式进入大众视野.常见的无线电能传输技术有电磁感应式、磁耦合共振式[]、电场耦合式及电波辐射式, 此外, 还有uBeam公司研发利用超声波输电和微软研究院的AutoCharge— 利用聚焦光线输电等方式.后2种尚处于研究阶段, 电场耦合式传输功率较小、效率一般, 电波辐射式又是针对大功率和远距离, 这里只介绍前2种.2.1 电磁感应式电磁感应式无线充电技术的原理较为简单.基于交变的磁场产生电场, 交变的电场产生磁场这一现象.在发射线圈上, 将直流电转化为高频交流电, 同时产生了变化的磁场.在相应的接受线圈上, 感应到交变的磁场后产生电场, 接收电能.接受端电路将交流电转化为直流电供能.不同于变压器, 无线电能传输的发射线圈和接受线圈是分离开的, 故其漏电感较大而耦合因数较小.因此必须采用补偿电路来提高传输效率[].通常是将补偿电容置于发射端和接收端, 形成串联谐振电路来提高其效率[].影响电磁感应式无线充电效率的主要因素有两线圈之间的距离、线圈匝数、发射频率等因素[].在一定的条件下, 符合Qi标准的无线充电器传输效率能达到70%左右.并且电磁感应无线充电技术目前市场占有率最高, 成本相对较低, 适合应用于便携式医疗设备.2.2 磁耦合谐振式基于电磁谐振理论, 麻省理工学院的Soljacic团队在2007年成功点亮了2m远的1只灯泡, 宣告中距离无线电能传输的成功[].与普通磁感应技术不同, 磁耦合共振式无线电能传输利用谐振技术, 在保证线圈有较高品质因数的前提下, 将初级线圈、次级线圈和工作频率调谐至相同的频率, 并给初级线圈输送同频率的能量和驱动信号.这样, 在次级线圈就可以源源不断地接收能量[].该项技术的优点是相对于普通的电磁感应式, 其传输距离较远一些, 可以达到线圈特征尺寸的数倍, 因此其初级线圈的位置较为自由[].其缺点也较为明显, 目前传输效率较为一般, 电路实现较为复杂, 调试难度大等, 造成了其成本较高的事实.基于以上原因, 目前磁耦合谐振式无线充电不适合作为便携设备充电的方案.2.3 无线电能传输电路针对有关便携式医疗设备, 其充电所需最大功率约9W的情况, 为了使无线充电器整机更加安全和稳定, 采用成熟的高频大功率无线供电芯片作为核心.设计中所用的XKT-412 是高频大功率集成电路芯片, 体积小输出功率强大, 可工作在较高频率范围内.大大减少发送线圈的体积和尺寸, 增强发射功率, 降低线圈成本, 由于对线圈电感量要求小, 亦可直接采用PCB 作为发射, 使生产与应用更加简便.芯片采用宽电压自适应技术芯片设计工艺, 同样的发射电路可以在较宽的电压范围内使用而不改变任何器件, 具有精度高稳定性好等特点, 可靠性能高.使用该芯片设计的无线发射电路如图4(a)所示.图4Fig.4 图4 无线电能传输原理图Fig.4 Schematic of wireless power transmission该电路能自动适应供电电压调节, 使其能在较宽的电压范围内工作.并提供自动检测负载、自动频率锁定和功率自控制功能[].由图4的电路图可以看出, 由于无线发射芯片的高度集成化, 配套电路仅需少量外部元器件即可工作, 使得电路安全性和可靠性大大提高.并且该芯片具有智能检测系统, 可以免调试即进行工作.经检测, 该电路最大发射功率为10W, 满足功率需求.接收端电路如图4(b)所示, 采用配套的XKT-3168芯片构成电路, 将交流电整流稳压后转化成直流电供能.3 系统工作表现检测和讨论本系统根据某便携式医疗设备的三三串联后再并联的9节300mA· h锂电池组(或6节、3节锂电池组), 设计并制作出上述几节所述的具有放电保护功能的无线充电装置.将本无线充电装置充电最大电流设置为0.5A, 充电截止条件设置为充电电流降低至0.05A左右, 电池组充电结束电压应接近12.6V.在6mm的距离下分别对6节和9节锂电池组进行了充电实验, 充电电流及电池两端电压随时间变化情况如图5(a)、(b)所示.对于6节锂电池组, 可见在70min内便可完成充电; 对于9节锂电池组, 可在110min内完成充电.2组电池的充电曲线基本满足分级定电流充电法的要求, 并且完成充电过程后, 电池组总电压在12.5V左右, 满足设计要求.图5Fig.5 图5 充电电压电流随时间变化情况Fig.5 The variation of voltage and current with time充电前后, 对锂电池组每节锂电池进行电压测量, 获得数据如和所示.其中所有锂电池充电结束电压均在4.1V以上, 接近单节锂电池的充满电压4.2V.不同锂电池最大电压差0.03V, 达到了智能均匀充电的效果.并进行了多次放电测试, 电路均在10.3V左右关断, 起到了保护锂电池组, 延长锂电池组使用寿命的效果.表1Tab.1表1(Tab.1)
表1 9节电池组充电前后单节电池电压
Tab.1 The voltages of each cell in 9 cells pack before and after charging电池编号充电前单节锂电池电压/V充电后单节锂电池电压/V13.364.1823.444.1633.494.1643.484.1453.404.1663.314.1673.524.1683.394.1693.374.15
表1 9节电池组充电前后单节电池电压
Tab.1 The voltages of each cell in 9 cells pack before and after charging表2Tab.2表2(Tab.2)
表2 6节电池组充电前后单节电池电压
Tab.2 The voltages of each cell in 6 cells pack before and after charging电池编号充电前单节锂电池电压/V充电后单节锂电池电压/V13.504.1523.344.1233.454.1143.414.1353.494.1363.394.14
表2 6节电池组充电前后单节电池电压
Tab.2 The voltages of each cell in 6 cells pack before and after charging此外, 基于本次系统的应用中所使用的10W无线电能传输电路, 我们更改了配套的锂电池充电管理电路(恒压充电电压8.4V)和放电保护电路(过放保护电压6.8V), 还实现了对2/4/6/8节锂电池组的智能无线充放电, 其中所有锂电池充电结束电压均在4.1V以上, 锂电池单体间电压差小于0.04V.这些组合作为采用本充放电管理电路效果的代表, 示出了8节锂电池组充电前后的电压数据.可见, 通过改变无线电能传输电路的功率, 更改锂电池充电管理电路和放电保护电路, 我们可以实现一定功率范围内的任意多节锂电池的无线充电.表3Tab.3表3(Tab.3)
表3 8节电池组充电前后单节电池电压
Tab.3 The voltages of each cell in 8 cells pack before and after charging电池编号充电前单节锂电池电压/V充电后单节锂电池电压/V13.374.1623.424.1733.454.1543.334.1453.404.1663.414.1873.434.1483.424.17
表3 8节电池组充电前后单节电池电压
Tab.3 The voltages of each cell in 8 cells pack before and after charging针对本无线充电装置我们还进行了带电池组负载的充电效率实验.在线圈基本同轴的前提下, 主要探究了发射线圈和接收线圈轴向距离对充电效率的影响, 结果如所示.检测结果表明, 在发射和接收线圈距离为3mm时, 系统有着近70%的无线传输效率, 即使在8mm的距离, 系统仍有着超过60%的传输效率, 可以满足大多数产品的设计需求.表4Tab.4表4(Tab.4)
表4 线圈距离变化对充电效率的影响
Tab.4 Influence of coil distance variation on system efficiency线圈间距/mm发射功率/W接收功率/W效率/%39.6946.57267.848.2885.55767.058.1755.43666.467.1044.66165.675.9163.67462.184.9893.06061.394.0162.32858.0103.5381.85052.3
表4 线圈距离变化对充电效率的影响
Tab.4 Influence of coil distance variation on system efficiency4 总 结本文提出了一种既能对多节不同串、并联方式连接的电池进行智能化充电管理以及放电保护, 又能进行无线充电的技术系统.既可确保在对多节不同串、并联方式连接的电池进行充电时快速、有效、安全及方便, 又可保证各电池不会过充过放, 从而保证了锂电池组的使用寿命.为各种电子及光电子设备尤其是便携式、穿戴式设备的电池快速有效充电提供了强有力的技术系统.通过改变无线电能传输系统功率、配套充电管理芯片的方法, 本系统在一定功率范围内可以应用于任意多节锂电池的无线充电, 为设备的无线充电提供了一个可行的方案.
The authors have declared that no competing interests exist.
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... 随着无线充电技术的发展,越来越多的无线充电设备开始出现,如电磁感应式、磁耦合谐振式等[1],但无线充电的接收端多针对锂电池单体设计 ...
... 近年来,国内外的研究一直在推动无线充电技术的发展:Moon等[2]研究了收发线圈的特性对于无线充电效率的影响 ...
磁耦合谐振式无线能量传输特性研究[D]. LYU Y L.
Research on the transfer characteristics of wireless power transfer via magnetic coupling[D].
磁耦合谐振式无线能量传输（wireless power transfer via magnetic resonancecoupling，WPT/MRC）是近年来无线能量传输领域新提出的一种技术方案，相比于其他无线能量传输方法，具有传输距离适中、传输功率大和效率高等优点，因而备受关注。然而，WPT/MRC的传输距离、传输带宽仍然不满足一些应用要求，而且，系统不光在较远传输距离传输效率低，在传输距离较近时由于发生频率分裂现象而同样不能高效地传输电能，因此系统传输系数随距离变化起伏大。为了改善上述问题，本文以收发线圈之间互感系数为纽带，对WPT/MRC的传输特性进行研究，并针对其本身存在的缺陷与不足提出相应的改进方法。 首先本文从电路理论出发，以典型的WPT/MRC系统的等效电路及其最优传输条件为基础，进行扩展，提出了磁耦合谐振阵列的分析方法。该方法利用互感系数，推导了系统输入阻抗，并预测了合理排布的磁耦合谐振阵列具有较宽传输带宽的特性。对磁耦合谐振阵列的数值仿真结论验证了该理论预测，发现其带宽相比于两线圈WPT/MRC系统至少可以提高一倍，并发现其具有陡峭的通带边缘，表明磁耦合谐振阵列具有良好的抗干扰性能。而对不同排布形式的阵列进行数值仿真，获得了相近的结果，表明该方法对磁耦合谐振阵列的分析具有很好的普适性。 接下来，本文从线圈之间互感系数计算表达式着手分析了WPT/MRC中频率分裂现象产生的原因，并指出消除互感系数中的极点可以对频率分裂现象进行抑制。提出采用非相同线圈对作为WPT/MRC系统的收发线圈来获得平坦的互感系数，以消除频率分裂现象并获得稳定的传输系数。利用理论计算、数值仿真以及实验测试对该方法加以验证，三者结果相互吻合，相互印证，表明本文所提出的方法能够有效消除频率分裂现象，系统在原过耦合区的传输系数最大可提高6.5dB，并可获得平坦稳定的传输系数，差值不超过2dB。相比于其他几种已知的抗频率分裂方法，该方法不需要根据传输距离的变化实时改变系统的匹配，也不需要设计算法并外加复杂电路用以跟踪系统最优传输频率。 本文研究内容新颖，研究方法得当，对理论及实验的分析完整全面，所得结论对WPT/MRC技术的改善具有重要意义。
... 吕玥珑[3]研究了磁耦合谐振式无线电能传输的特性 ...
... Zhen等[4]提出了一种基于无线传输传输功率跟踪的负载检测方法 ...
... Boscain等[5]提出了一种通过改变接收端电路结构来提高无线充电器传输效率的方法 ...
... 2 分级定电流充电法 可以认为分级定电流法是一种更加复杂的分段式充电法,该方法将充电过程分为预充电阶段(涓流充电阶段)、恒流充电阶段、恒压充电阶段及充电终止阶段,多了一个预充电阶段[5] ...
... 在锂电池的充放电管理方面,李泓[6]阐明了在锂电池充放电过程中电压、电流的合适范围 ...
基于分时复用技术的锂离子电池组均衡充电电源[J]. 仪器仪表学报, 2013, 12(S1): 83-86. WANG B.
A lithium ion array batteries equalizing charger based on the technology of time division multiplexing[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 12(S1): 83-86.
... 王彪[7]提出了基于分时复用的锂电池均衡充电策略 ...
一种锂电池无线充电模块的设计[D]. PAN L.
Design of lithium battery wireless charger module[D].
无线电能传输是通过电磁波进行电力传输，从而省去电源线和插座的一种新型电源。将无线电能传输理论与锂电池充电原理相结合，就构成了锂电池无线充电的基本理论。现有的无线电能传输理论还处于不断发展，不断完善的阶段。不过，已经有公司和科研机构在其熟悉的领域做出了一些无线供电产品的样品，但这些样品都具有功率小，传输距离短，传输效率低等限制，只能在有限的应用场合中有其应用价值。相对于无线电能传输理论的不成熟来说，锂电池充电原理已经广泛的被人们所认识，并且也已经进行了大规模的运用。 本文介绍了无线充电的研究背景和无线电能传输的基本原理以及锂电池充电技术与特征。完成了电路仿真和硬件电路的设计。给出了性能测试和最终成果展示。 本设计的锂电池无线充电模块的设计采用电磁感应方式，充分结合了磁耦合技术和开关电源技术。系统分为发射部分和接收部分，在12V电源供电下，接收端在2.5cm的距离内能稳定输出4.2V充电电压，从而实现了充电电流可调的锂电池无线充电功能。并且，电路发射端带有电路保护功能，能有效防止功率MOS管被尖峰电压击穿，短路等问题的产生。在接收端针对锂电池充电的特点进行设计，有效的防止了锂电池充电过程中可能出现的过充，温度过高，电流过大等危险情况的发生。整个电路结构简单，工作稳定，接收端实现了小型化的要求，基本达到了实际应用水平。
... 潘力[8]提出了一种对锂电池充电模块的设计 ...
... 由一电磁感应式无线充电电路组成的,包括一发射线圈及有关电路以及一接收线圈和有关电路组成的无线电能传输系统,其发射端将直流电转化为高频交流电,并产生变化的磁场[9,10] ...
... 通常是将补偿电容置于发射端和接收端,形成串联谐振电路来提高其效率[9] ...
袁清萍, 王华强.
一种带输出谐振倍压的双电感隔离型Boost变换器[J]. 云南大学学报: 自然科学版, 2015, 37(3): 373-379. YUAN Q P, WANG H Q.
An isolated Boost converter with double inductor and
resonant doubler of output voltage[J]. Journal of Yunnan University: Naturnal Sciences Edition, 2015, 37(3): 373-379.
... 由一电磁感应式无线充电电路组成的,包括一发射线圈及有关电路以及一接收线圈和有关电路组成的无线电能传输系统,其发射端将直流电转化为高频交流电,并产生变化的磁场[9,10] ...
沈娜, 李长生, 张合.
磁耦合共振无线能量传输系统建模与分析[J]. SHEN N, LI C S, ZHANG H.
Modeling and
analysis of wireless power transmission system based on magnetic coupling resonance[J].
为探索磁耦合共振无线能量传输机理,研究传输参数与传输性能间的关系,基于互感耦合理论,建立了磁耦合共振无线能量传输系统的电路模型,推导出系统共振角频率解析表达式,揭示了共振角频率随收发端距离由近至远过程中,由一个分裂至两个又恢复至一个的规律;指出因空心线圈的低耦合系数特性,工程中仅会观察到由两个合并为一个的过程。利用Or-CAD仿真软件和实验手段对系统传输特性进行仿真分析和实验研究,结果显示系统传输特性的变化规律与理论分析相吻合,所求得的共振角频率数学公式的计算精度高,与仿真结果误差在±1%以内,能够准确描述系统的能量传输特性。所建模型为高效率磁耦合共振无线能量传输系统的设计提供了理论支持。
... 常见的无线电能传输技术有电磁感应式、磁耦合共振式[11]、电场耦合式及电波辐射式,此外,还有uBeam公司研发利用超声波输电和微软研究院的AutoCharge#cod#x02014 ...
张代兵, 韩大鹏.
一种低功耗设备的无线感应供电技术[J]. ZHANG D B, HAN D P.
Wireless inductive power supply method for low power equipments[J].
介绍了一种无缆线联接、依靠电磁场耦合感应的新型供电技术.并对其工作原理和关键技术进行了分析、设计并制作了简易原理装置.实验数据表明,该无线感应供电方式在一定距离范围内具有良好的能量传输特性,并适用于低功耗设备.
... 因此必须采用补偿电路来提高传输效率[12] ...
刘刚, 郑青玉, 王德钊.
一种基于电磁感应的无线充电方法[J]. LIU G, ZHENG Q Y, WANG D Z.
An electromagnetic induction based wireless charging method[J].
摘　要： 针对无线充电系统中,最重要的传能部件发射线圈和接收线圈的制作问题,提出了一种用印制板制作高品质因数的无芯圆形螺旋电感线圈的方法;并搭建了无线充电系统实验平台,实验结果表明电磁感应式无线充电方案是可行的。
... 影响电磁感应式无线充电效率的主要因素有两线圈之间的距离、线圈匝数、发射频率等因素[13] ...
杨成蒙, 孙培德.
一种位置自由的低功耗无线充电系统[J]. YANG C M, SUN P D.
A low-power free-positioning wireless charging system[J].
目前比较流行的无线充电系统采用单个发射线圈来发射能量,因此有效充电区域较小,用户体验较差.为了改善这一情况,本文设计了一种位置自由的低功耗无线充电系统,该系统使用3个发射线圈阵列来扩展位置自由,同时引入MSP430低功耗MCU来降低功耗,提高了系统的实用性.此外,该系统还具有寄生金属检测和外来物体检测功能,提高了系统的安全性.
... 2 磁耦合谐振式基于电磁谐振理论,麻省理工学院的Soljacic团队在2007年成功点亮了2m远的1只灯泡,宣告中距离无线电能传输的成功[14] ...
... 并提供自动检测负载、自动频率锁定和功率自控制功能[14] ...
吴俊, 乔树通.
线圈径向错位及角度偏差对磁耦合谐振式无线充电系统的影响探究[J]. WU J, QIAO S T.
Research on the impact of lateral and
angular misalignment on magnetic-resonance wireless powering system[J].
磁耦合谐振式无线供电系统通常要求收发线圈同轴且平行,但在某些商用及实验环境收发端可能存在的径向错位、角度偏转会对传输性能造成影响。基于互感耦合模型,先从电路角度推导串-串系统效率、功率表达式,利用MATLAB分析效率和功率与线圈间径向位移和角度偏转关系。随后搭建实际系统,结果验证了分析的正确性。最后提出距离检测、频率跟踪等提升性能的初步方法,为谐振式无线供电的研究提供参考。
... 这样,在次级线圈就可以源源不断地接收能量[15] ...
... 该项技术的优点是相对于普通的电磁感应式,其传输距离较远一些,可以达到线圈特征尺寸的数倍,因此其初级线圈的位置较为自由[16] ...
多节串并联锂电池智能无线充放电系统
[杨柳1, 赵雪岑1, 周平1, 张刚平2, 黄耀熊1]