基于无线电能传输的锂电池充电装置设计

摘要

近年来，无线电能传输（WPT）作为一种新型的电能传输方式，受到人们越来越多的关注。与利用导线进行电能传输的传统方式相比，WPT在传输电能的过程中不需要金属连接，这样就避免了用电设备与电源侧的直接电气连接，基于此特性，使得WPT在一些对安全性和方便性要求较高的场合，如化工、矿井、水下以及医疗器械等方面具有很广阔的应用前景。本论文主要设计一款基于无线电能传输的锂电池充电装置，实现对锂电池先恒流后恒压（CC-CV）的充电过程。　　本文首先介绍了课题背景及意义和WPT的国内外研究现状。　　其次具体介绍了国内外无线电能传输的实现方式，综合比较现有的无线电能传输方式后本文选择了感应耦合式的无线电能传输方式，建立了松耦合变压器的互感模型，并加入了补偿结构来提升系统性能，此外还着重分析了SP型补偿结构的补偿电容、电压增益、传输效率以及频率分叉现象。　　之后介绍了蓄电池的种类，并选择锂电池作为本设计的充电对象，分析了锂电池的工作原理，重点介绍了锂电池的充放电特性，采用分段式的充电方法，即先恒流充电后恒压为锂电池充电，缩短了充电时间。为了分析简便，锂离子电池用一个可变电阻模型来代替。　　然后对电路中原副边线圈、补偿电容以及谐振频率等核心参数进行设计，通过PSIM及MATLAB对蓄电池恒压、恒流(CC-CV)充电进行了仿真并实现了变负载情况下，接收端不加调压电路而达到近似恒压输出，验证了理论分析的正确性和设计的合理性。　　最后设计了无线电能传输系统各部分硬件电路，包括主电路、控制电路、保护电路。详细设计了变压器，选择了主电路中所需的器件型号，还介绍了控制电路及保护电路所需的芯片型号与功能。保护电路实现了MOSFET过压保护和桥臂直通过流保护以及负载侧过流保护，确保系统运行的稳定可靠。