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《電源學報》2016年第5期

摘要：

傳統尋軌機器人的動力電池采用接觸式充電方式，充電時容易因機械接觸磨損而導致接觸不良，為解決該問題本文研究了一種單管感應耦合式無線傳輸（ICPT）充電系統。該系統由前后兩級電路組成，前級采用單管ICPT系統進行非接觸電能傳輸，后級采用充電管理芯片LTC4020控制的Buck-Boost電路對鋰電池進行快速充電。介紹了所研究尋軌機器人無線充電系統結構及原理，對前級主電路進行了四階段電路等效、工作過程分析、電路建模、補償網絡設計、軟開關設計；對后級充電管理電路就行了分析和設計。設計了一臺樣機，做了前級電路開關管耐壓、流過電流、輸出電壓的仿真和實驗，并進行了充電實驗，驗證了所研究的充電方案的正確性。

關鍵詞：

尋軌機器人；無線充電；單管逆變；感應耦合電能傳輸；軟開關

引言

隨著人工智能技術的發展，機器人的應用范圍已由傳統的機械、電子、石油、汽車、電力等行業，拓展至海洋勘察、航天航空、醫療衛生、體育娛樂、餐飲服務等領域。近幾年，許多餐飲業引入尋軌機器人服務后，使其成本大為降低，而且已成為招攬顧客的一個噱頭。餐廳尋軌機器人可按固定軌跡行至餐桌前供客人點餐并返回為顧客取菜、送飯，在其電量較低時，機器人可自行返回充電端進行接觸式充電，容易因機械接觸磨損導致接觸不良，從而降低充電的可靠性和安全性。如果尋軌機器人采用無線充電方式，既能屏棄插頭使機器人外觀美觀，又能增加充電的可靠性和安全性，所以為機器人無線充電將成為必然趨勢。目前國內為動力電池組無線充電的變換器拓撲多采用半橋、全橋等電路[1-3]，而針對尋軌機器人用動力電池組（24V24AH)的功率等級，這些拓撲電路既增加了成本又增加了拓撲電路的體積，且控制方法較為復雜[4-8]。為解決上述問題，本文研究了一種基于電磁感應耦合技術[9-15](簡稱ICPT)的單管逆變無線充電方法，該方法由前后兩級電路組成，前級由單個開關管逆變，可在整個開關周期均傳輸能量，從而提高了整個ICPT傳輸系統的功率因數和傳輸效率，電路具有成本低，體積小，控制簡單等特點，控制上采用變頻和變占空比的控制方式，使電路工作于零電壓軟開關狀態，減少了開關損耗，增加了系統可靠性；后級充電電路采用Buck-Boost電路拓撲，用LTC4020電源管理芯片來控制，通過計算所需參數搭建了外圍電路，實現了電池的各種保護，延長了蓄電池的使用壽命。

1尋軌機器人充電系統結構

尋軌機器人充電系統由前后兩級電路組成，如圖1所示，前級ICPT系統結構包括原邊電路和副邊電路兩部分，原副邊電路均采用并聯補償方式。輸入為220V交流電，經全橋整流后轉變為峰值310V的脈動直流電，該電壓先經L1、C1濾波再由單管高頻逆變后施加到初級線圈LP上，由LP將能量傳遞給次級線圈LS，再經全橋整流和L2、C2濾波后輸出32V電壓U1為后級電路供電。在電能傳輸過程中，開關管Q每次開通時均為零電壓開關，初級線圈LP一直都處在傳遞能量的過程中，使系統的開關管損耗大大降低，從而提高了系統的傳輸效率。后級充電電路拓撲采用Buck-Boost電路，由電管理芯片LTC4020作為控制器。此芯片要求Buck-Boost的輸入電壓范圍為4.5V~55V，通過控制4個開關管分別工作在BUCK或BOOST的不同工作模式以調整輸出電壓，使其達到要求。本設計由前級輸出的32V電壓做為輸入，后級電路工作在BUCK模式下，為24V的鋰電池進行充電。

2工作原理及充電方法

圖1中前級主電路可以簡化為如圖2所示的四種工作狀態。圖1中經全橋整流濾波后的電壓可視為一恒定的電壓源Vd，LP*是副邊電感LS反射到原邊并與原邊電感疊加后的等效電感，Zeq為副邊負載等效到原邊的阻抗。圖2相應的工作波形圖如圖3所示，電路的四個工作狀態簡要分析如下：狀態1（t0~t1）：在t0時刻，開關管Q門極承受正向脈沖，電感電流iLp*仍為負值，二極管D1導通，此時開關管為零電壓導通，直到t1時刻電感電流上升至零值；狀態2（t1~t2）：在此階段，電感電流逐漸上升，直到t2時刻開關管Q關斷；狀態3（t2~t3）：在此階段，電感LP*與電容CP發生諧振，在t3時刻電感電流降低為零，此時電容承受最大反向電壓，開關管Q耐壓達到最大值；狀態4（t3~t4）：在此階段，電容反向放電，直到t4時刻電容電壓上升并鉗位至輸入電壓，諧振電流達到反向最大值。機器人無線充電系統的后級詳細電路如圖4所示，因后級電路輸入電壓VIN高于輸出電壓VOUT，此時充電電路工作于降壓（BUCK）模式，開關管Q1（由TG1引腳驅動）和開關管Q2（由BG1引腳驅動）由PWM驅動以實現電能轉換。理想狀態下，開關管Q4（由TG2引腳驅動）將會持續導通而開關管Q3（由GB2引腳驅動）將會保持斷開狀態，此時電路的工作狀態類似于buck拓撲電路。但實際中，開關管Q4需要通過自舉電路驅動導通，所以開關管Q3每個周期需導通150ns的時間用以更新驅動，為防止對地產生直通電流，開關管Q4在此時間內保持關斷狀態，為此設計75ns的死區時間保護電路。當尋軌機器人沿軌跡行至充電處后，首先檢測電池溫度、電量等信息，判斷是否需要充電，如果均滿足條件之后，開始充電，其充電過程分為三個階段：第一個階段為涓流預充電，通過VFBMIN引腳檢測電池電壓，若電池過放，大電流會對電能不足的電池造成非常大的沖擊，從而導致機器人電池損壞，涓流預充電的作用是激活機器人電池，通過設計的最大充電電流的1/15給電池充電，使機器人電池安全進入到充電狀態；第二個階段為恒流充電，首先設計限流電阻RSENSEA和RSENSEB控和制電感上的最大電流，如果電感電流過大，則控制開關管Q1關斷四個周期后重新檢測電流，然后設計電阻RCS控制充電電流最大值，使此階段充電電流保持最大恒定值，此時充入電池的電量快速增加，電池電壓快速上升，從而提高充電速度；第三個階段采用恒壓充電，在此期間充電電壓保持恒定，充電電流下降，電池電壓緩慢上升，該方法可以有效避免電池充電后期因充電電流過大而造成極板活性物質脫落和電能的損失，從而高效率的將電池剩余電量充滿。壓快速上升，從而提高充電速度；第三個階段采用恒壓充電，在此期間充電電壓保持恒定，充電電流下降，電池電壓緩慢上升，該方法可以有效避免電池充電后期因充電電流過大而造成極板活性物質脫落和電能的損失，從而高效率的將電池剩余電量充滿。圖4后級充電管理電路Fig.4Chargingsystemofpoststage

3系統參數設計

3.1單管逆變補償網絡的設計

由于ICPT系統通過具有較大漏感的松耦合變壓器傳遞能量，效率比較低。為了增大傳輸功率，采用諧振電路對漏感進行一定的補償。常用的補償方式分別為電容原邊串聯——副邊串聯補償（SS）、電容原邊串聯——副邊并聯補償（SP）、電容原邊并聯——副邊串聯補償（PS）、電容原邊并聯——副邊并聯補償（PP）。一般PS、SS補償多用在小功率的場合，而PP、SP補償多用在大功率的場合。本文采用PP補償方式，原邊并聯補償方式的優點是諧振電流不經過開關管而僅在諧振電感電容內部流動，因此在諧振電流較大時，此補償方式可以極大減少開關管的電流應力。副邊并聯補償方式的優點是可以使輸出電壓紋波減小。

3.2單管逆變電路建模

如圖2簡化電路，把副邊電路等效到原邊，建立ICPT系統的原邊電路模型。副邊等效阻抗為221/(1/)eqSSSLMZRjLjCR（1）式中：ω為角頻率；M為原副邊線圈互感；RS為副邊補償電容；LS為副邊電感；CS為副邊補償電容；RL為等效負載電阻（為了彰顯重點簡化分析將副邊電路看成純電阻）。雖然后級電路準許一個寬范圍的輸入電壓，但此設計仍要求前級電路輸出恒定電壓，所以當RL增大（或減小）時，RL上的電流將會減小（或增大），從而代表后級負載減輕（或加重）。原副邊線圈內阻相對較小時，由式（1）可得22200//eqLSSZMRLjML（2）式中：ω0為諧振角頻率，ω=ω0=1/SSLC=2πf0，f0為諧振頻率。此外為提高傳輸功率，系統原邊的阻抗角還要接近0，即220m0201I[()//]0SLPSPMRjMjLLLjC（3）通過計算可知，ICPT系統CP與RL無關，但實際中，負載的變化對系統穩定影響很大。

3.3軟開關實現方法

在前級電路中，控制開關管Q工作頻率變化可調整輸出電壓的大小，但原邊諧振電容CP選定后，當開關管的工作頻率增大時，死區時間會相應減小，并且當開關管工作頻率等于或大于某個臨界值時，將無法實現零電壓開通，因此為保證開關管能零電壓開通，留有一定的死區時間，就需為開關管增加一個軟開關檢測電路。圖5所示為軟開關過零檢測電路。如圖5所示，Rc1，Rc2組成電壓采樣電路，將開關管耐壓降到單片機可操作電壓范圍之內，傳輸到單片機的ADC端口之中用于監控開關管的耐壓，再通過計算由PWM端口輸出驅動信號控制開關管。在驅動信號到來之前的1us，由單片機的ADC端口采樣開關管電壓，檢測開關管耐壓是否降到0。如果開關管電壓不為0，則單片機需要減小驅動信號的占空比。

4仿真與實驗

基用saber對前級ICPT系統進行了仿真，主電路仿真波形如圖6所示。Uge為開關管Q的脈沖驅動波形，Uce為開關管Q上的耐壓波形，Ice為開關管Q上的電流波形，Uo為前級電路輸出電壓波形。可以看出，Uge為正脈沖信號時，Uce電壓為0，Ice開始由負值逐漸增大，此時前級電路工作在零電壓開通狀態。搭建了實際樣機，參數如下：前級電路輸入為220Vac，原邊LC濾波電路中電感值為300uH，電容值為10uF，原邊線圈電感值為180uH，副邊線圈電感值為60uH，原副邊線圈相隔3cm，CP=100nF，CS=1000nF，M=32uH，L2=150uH，C2=2200uF，后級電路的輸入即為前級電路的輸出值32V，后級電路中的限流電阻值RSENSEA=0.006Ω，RSENSEB=0.006Ω，RCS=0.015Ω，L4=20uH。如圖7為開關管Q開通時的軟開關波形，方波為脈沖電壓，饅頭波為開關管電壓，由圖中可看出當脈沖電壓來臨時開關管電壓為零，即實現了軟開關技術。前級輸出32V電壓符合LTC4020芯片的可操作輸入電壓范圍，后級電路為鋰電池（24V24AH）進行充電的曲線如圖8所示。首先檢測電池電壓，由于電池電壓低于正常充電電壓（設計電池正常充電電壓最小值為20.4V），第一階段即為涓流預充電，充電電流為最大充電電流的1/15，經過約20分鐘后電池電壓達到要求，此時進入第二階段恒流充電，此時電池電壓快速增大，當電池電壓接近飽和電壓時轉入第三階段恒壓充電，此階段為電池提供25.2V的恒定電壓，充電電流逐漸減小，4小時后充電電流接近為零，電池充滿。

5結語

為尋軌機器人用鋰電池提出一種單管逆變ICPT電路與電源管理LTC4020芯片相結合的無線充電方案。仿真和實驗證明，所提出的新型無線充電方案能夠安全快速地給機器人充電，且具有過流、欠壓、軟啟動等各類功能，相對傳統有線充電方法，具有充電時不接觸、不磨損、不產生電火花、安全可靠等特點；相對于其他一些無線充電方案，具有電路結構簡單、無線電能傳輸效率高、可靠性高等特點，具有推廣應用前景。

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作者:孫川 王春芳 單位:青島大學自動化與電氣工程學院