-PAGEIII--PAGEIV-電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要對公共電動(dòng)自行車的諧振式無線充電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，區(qū)別于普通有線充電技術(shù)，是為了提高公共電動(dòng)自行車的充電可靠性和高效性，方便人們出行。隨著人們出行次數(shù)的日益增多，公共電動(dòng)自行車的使用次數(shù)也逐漸增多，其種類也趨于多元化，如何為人們提供方便、快捷的電動(dòng)車充電技術(shù)成為當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問題。本設(shè)計(jì)以諧振式無線充電技術(shù)對公共電動(dòng)自行車進(jìn)行充電，該技術(shù)是一種比較先進(jìn)的充電技術(shù)，大多以感應(yīng)式傳輸電能為主，距離較近，它能夠較好地為人們提供更加方便、更加快捷的電動(dòng)自行車充電方式，方便人們出行。而且無線充電技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車充電的智能化與便捷化，進(jìn)而提高電動(dòng)自行車的工作效率和可靠性，最大限度方便人們對電動(dòng)自行車的使用。其中本設(shè)計(jì)以諧振補(bǔ)償電路為控制核心設(shè)計(jì)了一個(gè)公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)，后通過Proteus仿真軟件對本系統(tǒng)的理論正確性和實(shí)踐可行性進(jìn)行驗(yàn)證。本文主要介紹了諧振式無線充電技術(shù)原理，其中包括主要電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用場景及其優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：公共電動(dòng)自行車；諧振式無線充電技術(shù)；單元電路設(shè)計(jì)目錄摘要………………………. I1緒論……………………. 11.1課題的背景與研究意義……………... 11.2課題問題的描述……………………... 41.3本文的工作…………... 41.4論文結(jié)構(gòu)簡介………………………... 42系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)………………. 62.1設(shè)計(jì)思路……………... 62.2設(shè)計(jì)原則……………... 62.3總體方案設(shè)計(jì)………………………... 73系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)…………. 83.1高頻逆變電路………………………... 83.2諧振補(bǔ)償電路………………………. 113.3高頻整流電路………………………. 143.4升壓及其負(fù)載電路…………………. 154系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………... 164.1Proteus仿真軟件介紹……………… 164.2系統(tǒng)仿真電路圖……………………. 164.3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析………………… 18結(jié)論……………………... 20參考文獻(xiàn)…………………. 211緒論1.1課題的背景與研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與社會(huì)生活水平的提高，富有智慧的人類主要以電纜傳輸作為主要途徑，在日常生活中，電能被人們用于生活的方方面面，電能的出現(xiàn)極大地豐富了人們的生活，電能在日常生活中起到了舉足輕重的作用。人們的生活也在不斷地發(fā)生變化，總體的趨勢是越來越追求信息化、智能化與安全化?？萍嫉目焖侔l(fā)展也使其他行業(yè)蒸蒸日上地發(fā)展，比如人們交通工具的革故鼎新，更加安全智能的交通工具開始出現(xiàn)在人們的生活中，使得人們的出行變得更加方便、快捷，進(jìn)而節(jié)約時(shí)間，起到了提高出行效率的作用。隨著公共電動(dòng)自行車產(chǎn)品的不斷普及，充電設(shè)施數(shù)量需求猛增，以及其具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，使用方便等特點(diǎn)已成為人們出行首選的代步工具之一。作為公共電動(dòng)自行車大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要前提與基礎(chǔ)，其充電裝置樣式與充電方式更是引起了各方密切關(guān)注。與此同時(shí)，新能源產(chǎn)業(yè)也處在發(fā)展的快車道上，尤其是公共電動(dòng)自行車產(chǎn)品數(shù)量爆發(fā)式增長，必然會(huì)對其充電方式的可靠性與便利性提出更高要求。其中公共電動(dòng)自行車的充電方式通常分為有線充電式和無線充電式兩種。如圖1為公共電動(dòng)自行車的展示。圖1.1公共電動(dòng)自行車通過導(dǎo)線連接傳輸電能的方式是當(dāng)今社會(huì)主流的充電方式，簡稱為有線充電技術(shù)。有線充電技術(shù)共有3種充電方式，分別為快速充電、普通充電和更換電池組。有線充電技術(shù)作為一種常見的充電技術(shù)在過去幾十年里受到了人們的普遍青睞，但是這種充電技術(shù)也存在諸多弊端與不便。以電動(dòng)自行車為例，在電動(dòng)自行車有線充電過程中可能發(fā)生電能泄漏，有引發(fā)安全事故的可能，對人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成一定的威脅。電動(dòng)自行車必須在相對靜止的狀態(tài)下方可進(jìn)行高效可靠的有線充電，進(jìn)一步降低了其工作效率，給人們的出行帶來不便。再者當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，公共電動(dòng)自行車在有線充電時(shí)無法實(shí)現(xiàn)高度的智能化，需要人為操作方可繼續(xù)有線充電。無線充電技術(shù)將一個(gè)充電體和一個(gè)充電器二者之間進(jìn)行了無導(dǎo)線的連接進(jìn)行電能的傳輸,達(dá)到了充電的目的。該項(xiàng)技術(shù)使用相對方便,避免了充電過程中的觸電危險(xiǎn),而且無線充電技術(shù)設(shè)備積塵較少,無磨損損耗和相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)問題。無線充電的技術(shù)還是可以大大提高電動(dòng)自行車的工作效率和系統(tǒng)的可靠性,最大程度地方便了人們對于電動(dòng)自行車的使用。通常情況下,無線充電的功率傳輸技術(shù)按照其傳輸?shù)姆绞街饕梢约?xì)化為三種:感應(yīng)式無線充電、微波無線電功率傳輸和諧振式無線充電。其中,諧振式無線充電式是利用與電磁耦合的方式進(jìn)行高效率的電能傳輸。感應(yīng)無線電功率傳輸主要是一種松耦合結(jié)構(gòu),相當(dāng)于一種可分離變壓器的形式。微波功率傳輸是一種遠(yuǎn)場輻射功率傳輸形式。但該種形式的電能傳輸效率低,而且在其傳輸?shù)倪^程中有微波輻射和電磁輻射,有一定的弊端。因此微波功率傳輸方式不適合對公共電動(dòng)自行車進(jìn)行無線充電。圖1.2為微波功率傳輸示意圖。圖1.2微波傳輸式電能傳輸原理圖諧振式無線充電技術(shù)通過共振原理實(shí)現(xiàn)高頻磁場的諧振耦合,從而能夠完成電能無線傳輸。共振原理可認(rèn)為是使用一個(gè)外部的激勵(lì)來源附著在某單一的系統(tǒng)上,當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的固有頻率和外部激勵(lì)來源完全一致后,該系統(tǒng)的振幅就會(huì)隨之增大。當(dāng)外部激勵(lì)與被激勵(lì)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí),能量從外部激勵(lì)有效地傳遞到被激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體具有相同的振動(dòng)頻率時(shí),它們可以實(shí)現(xiàn)有效的能量傳遞,而不同振動(dòng)頻率的物體則不會(huì)有能量傳遞,不會(huì)產(chǎn)生任何影響。因此,諧振式無線充電技術(shù)能夠借助共振原理完成高效的無線電能傳輸。迄今為止,諧振式無線充電技術(shù)主要應(yīng)用在手機(jī)、電動(dòng)牙刷、鼠標(biāo)與遙控器等小型電子設(shè)備上，在大型電子設(shè)備上并不常見。主要以感應(yīng)電能傳輸技術(shù)為主,具有傳輸效率高,距離較近的特點(diǎn)。國外對于電動(dòng)汽車或發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備的非接觸式電能傳輸技術(shù)起步較早,并有了一定成就。例如新西蘭奇思公司已經(jīng)將非接觸式感應(yīng)型電能傳送技術(shù)成功地應(yīng)用到30kw的旅客觀光汽車上,并且使旅游觀光車能夠高效可靠實(shí)現(xiàn)無線充電,取得了不錯(cuò)的效果。Magne-ChargeTm系統(tǒng)是美國通用汽車公司全資子公司所開發(fā)和研制的最先進(jìn)行商業(yè)化的電動(dòng)汽車非接觸式無線電能傳送系統(tǒng)之一,并在該公司所生產(chǎn)的電動(dòng)汽車上運(yùn)用了諧振式無線充電技術(shù)。2001年以來,我國對于相關(guān)理論的研究學(xué)習(xí)逐漸深入形成,并主要針對電磁感應(yīng)共振式無線電能的傳輸技術(shù)展開研究。圖1.3為電磁感應(yīng)耦合輸電原理圖的展示。圖1.3電磁感應(yīng)耦合式電能傳輸原理圖近年來我國非接觸式電能傳輸技術(shù)發(fā)展速度很快，取得了讓人欣喜的成績，其中包括功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)等。與此同時(shí)，非接觸式電能傳輸技術(shù)的發(fā)展也面臨著許多困難與挑戰(zhàn)。首先，與現(xiàn)代電力電子技術(shù)相比，目前來說非接觸電能傳輸理論并不完善，這方面還需要進(jìn)一步的發(fā)展與進(jìn)步。中國科學(xué)院電氣工程研究所就是我國第一批對此項(xiàng)技術(shù)研究工作進(jìn)行開展的單位。2002年以來,我國各類高校針對非接觸式供電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)進(jìn)行了一定規(guī)模的研究和設(shè)計(jì),重慶大學(xué)成功地研制了一套新型的電動(dòng)汽車非接觸式供電系統(tǒng)。隨著國內(nèi)無線電能功率傳輸技術(shù)基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展與改革進(jìn)步,2011年10月,首屆"無線電功率傳輸技術(shù)"學(xué)術(shù)研討會(huì)在天津隆重舉行。與會(huì)的專家們深入地討論了無線充電相關(guān)技術(shù)的最近新進(jìn)步以及目前普遍存在的問題,達(dá)成"天津共識(shí)"。這對于我國無線供電技術(shù)的研發(fā)和推廣使用起到了波瀾壯闊的作用。目前,國內(nèi)主要的軟硬件研發(fā)機(jī)構(gòu)主要集中在對磁耦合諧振無線電功率傳輸技術(shù)的研究。華南理工大學(xué)等多所院校都參與了這項(xiàng)技術(shù)的研究。其中,中南大學(xué)研制了一套容量近100kW的無線充電系統(tǒng)。此外,還有電磁場耦合、超聲波傳導(dǎo)等新型的電能傳輸方式,但仍處于研究的初級階段,我國在這些領(lǐng)域的研究和發(fā)展存在很大的上升空間。綜上所述，設(shè)計(jì)一種無線、高效、可靠、方便的公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電裝置具有十分重要的意義。1.2課題問題的描述利用電磁感應(yīng)原理，本課題擬研究一套應(yīng)用于公共電動(dòng)自行車的無線充電收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，工作在10MHz頻率附近，使公共電動(dòng)自行車能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠的無線充電。1.3本文的工作本文的主要工作內(nèi)容就是:研究設(shè)計(jì)一種基于諧振式無輻射近場的諧振強(qiáng)耦合理論的諧振式無線充電系統(tǒng),該系統(tǒng)可以為公共電動(dòng)自行車實(shí)現(xiàn)高效率且安全可靠的諧振式無線充電?；驹硎怯捎谙到y(tǒng)通過直流電源電路向其提供直流電能,所產(chǎn)生的直流電能可以通過高頻逆變電路向其他系統(tǒng)需要的高頻交流電,送至一個(gè)發(fā)射線圈;此時(shí)接收線圈和發(fā)射器的線圈保持相同頻率和一個(gè)相位的自諧振頻率,此時(shí)磁共振與電子產(chǎn)生了很強(qiáng)的耦合,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對電能的無線高效地傳輸。接收線圈接收到的交流電能通過整流濾波和調(diào)壓電路轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需的直流電能向負(fù)載和電池供電,進(jìn)而可以為公共電動(dòng)自行車提供安全穩(wěn)定的無線充電。本文實(shí)現(xiàn)上述功能需要的硬件電路模塊有：直流電源電路高頻逆變電路諧振補(bǔ)償電路高頻整流電路升壓及其負(fù)載電路1.4論文結(jié)構(gòu)簡介本文對基于磁場諧振耦合原理的諧振式無線充電技術(shù)在公共電動(dòng)自行車上的工作原理與應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，旨在為公共電動(dòng)自行車提供高效可靠的諧振式無線充電，從而提高電動(dòng)自行車的工作效率，方便人們出行。主要內(nèi)容如下：第一章緒論。本文主要介紹了公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景、研究本課題的意義、本課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及闡述本文需要完成的主要工作與進(jìn)度。第二章總體設(shè)計(jì)方案。主要闡述了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)系統(tǒng)的功能要求確定課題要使用的單元電路模塊。第三章單元電路設(shè)計(jì)。主要介紹了該系統(tǒng)主要由直流電源電路、高頻逆變電路，諧振補(bǔ)償電路，高頻整流電路，升壓及其負(fù)載電路五部分所構(gòu)成，以及各電路模塊的原理、具體作用和應(yīng)用場景。第四章軟件部分設(shè)計(jì)。利用Proteus仿真軟件對本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的仿真電路進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證本系統(tǒng)的理論正確性與實(shí)際可行性，為論文順利完成奠定一定基礎(chǔ)。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路諧振式無線充電技術(shù)是一種通過電磁感應(yīng)原理達(dá)到相同的諧振頻率，從而高效傳輸電能的技術(shù)。查閱相關(guān)資料或書籍可知，諧振式無線充電技術(shù)的使用頻率約為300kHz至20MHz。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是：通過直流電源電路、高頻逆變電路、諧振補(bǔ)償電路、高頻整流電路以及升壓及其負(fù)載電路五大電路模塊，將諧振式無線充電技術(shù)應(yīng)用在公共電動(dòng)自行車的無線充電過程中，原邊線圈和副邊線圈被調(diào)整成磁共振系統(tǒng)。本系統(tǒng)的工作順序如下：直流電源電路給整個(gè)公共電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)提供直流電。此時(shí)所提供的直流電通過高頻逆變電路將直流電能轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需要的交流電能，諧振補(bǔ)償電路中的原邊諧振電路將上一階段的交流電此通過磁場耦合原理輸送給諧振補(bǔ)償電路中的副邊諧振電路，在這個(gè)過程中完成本系統(tǒng)中電能的高效無線傳輸，這是本系統(tǒng)的核心部分。整流濾波電路再將諧振補(bǔ)償電路中的交流電變換為本系統(tǒng)所需要的直流電。最后通過升壓及其負(fù)載電路把直流電的電流電壓升高到本系統(tǒng)所需要的電流電壓，為公共電動(dòng)自行車實(shí)現(xiàn)無線充電。該項(xiàng)技術(shù)能夠給公共電動(dòng)自行車的充電帶來一定的便捷性與可靠性，進(jìn)而方便人們的出行。2.2設(shè)計(jì)原則為了使本課題設(shè)計(jì)的公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以更接近實(shí)際應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)中遵循了以下三條基本原則。（1）良好的適應(yīng)性采用模塊化的單元電路設(shè)計(jì)，把各模塊電路按照不同功能劃分在不同區(qū)域，相互聯(lián)系，協(xié)同配合，方便應(yīng)用，便于電路的移植與修改。為后續(xù)工作的開展提供了一定可行性。（2）較強(qiáng)的邏輯性本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中所需單元電路數(shù)量較多，各單元電路模塊之間聯(lián)系緊密，密切配合，因此在設(shè)計(jì)過程需較強(qiáng)的邏輯性與協(xié)調(diào)配合性，方可保證本系統(tǒng)能夠安全可靠地對公共電動(dòng)自行車進(jìn)行無線電能傳輸。（3）成本控制成本是研發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡呦蚴袌龅年P(guān)鍵性條件，一個(gè)能夠被人們廣泛認(rèn)可的系統(tǒng)，必然是一個(gè)具有合理“性價(jià)比”的系統(tǒng)。從現(xiàn)實(shí)生活來看，本系統(tǒng)中所需的元器件都是可靠的低價(jià)元器件，降低了系統(tǒng)的硬件成本。2.3總體方案設(shè)計(jì)本課題研究硬件設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵要素,旨在得到一個(gè)安全可靠、智能高效的公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)主要組成包括高頻直流電源控制電路、高頻電源逆變控制電路、諧振整流補(bǔ)償控制電路、高頻電源整流控制電路、升壓控制電路及其他的負(fù)載控制電路五個(gè)組成部分。諧振式無線充電裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。本課題以諧振電路作為設(shè)計(jì)核心，各部分的作用如下：a.直流電源電路給整個(gè)公共電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)所必須的提供直流電。b.高頻逆變電路通過電力電子技術(shù)中的逆變原理將直流電變?yōu)楸鞠到y(tǒng)所需50hz交流電。c.諧振補(bǔ)償電路主要由原邊諧振電路和副邊諧振電路組成。上一階段的交流電由原邊諧振電路負(fù)責(zé)接收，接收后的交流電由諧振電路的磁場耦合將電能從原邊諧振電路傳輸?shù)礁边呏C振電路，該過程實(shí)現(xiàn)了無線電能的高效傳輸。這是本系統(tǒng)的核心部分。d.高頻整流電路把諧振補(bǔ)償電路中輸出的交流電通過電力電子技術(shù)中的整流原理將交流電轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需的直流電。f.由高頻整流后輸出的直流電經(jīng)過升壓電路將其轉(zhuǎn)換為能夠滿足負(fù)載需要的電壓。升壓及其負(fù)載電路高頻整流電路諧振補(bǔ)償電路高頻逆變電路直流電源電路升壓及其負(fù)載電路高頻整流電路諧振補(bǔ)償電路高頻逆變電路直流電源電路 圖2.1諧振式無線充電裝置結(jié)構(gòu)框圖3系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)3.1高頻逆變電路在本系統(tǒng)中,直流電需要轉(zhuǎn)換為交流電供系統(tǒng)使用,對于這個(gè)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程被統(tǒng)稱為逆變。在許多情況下,只有一個(gè)直流電源,但如果一個(gè)負(fù)載必須使用交流電源,則這種情況就需要把直流電源經(jīng)由逆變原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換成相關(guān)應(yīng)用。逆變電路中的交流側(cè)可以在必要時(shí)由直流電改變?yōu)榻涣鱾?cè)。為負(fù)載提供供電,稱為無源逆變器。逆變電路廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)變頻調(diào)速、電子變壓器和家庭影院。在我們?nèi)粘Ｉ罴肮こ虒?shí)際應(yīng)用中,通常情況下，逆變電路大致可以劃分為半橋式逆變電路與全橋式逆變電路。半橋逆變電路在電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能照明燈等小型電子設(shè)備上應(yīng)用較多。一般來說,半橋逆變電路通常具有兩個(gè)臂,每種臂主要包括可控器件和逆變器件及其對稱的正反向二極管。半橋逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),元器件相對較少,但是穩(wěn)定性較差。但由于半橋直流逆變開關(guān)電路中直流輸出的最大交流內(nèi)阻電壓改變幅值僅為最大交流電阻值的一半,在其直流側(cè)必須同時(shí)串聯(lián)兩個(gè)交流電容器,工作運(yùn)行過程中必須同時(shí)手動(dòng)控制兩個(gè)交流電容器之間的相對平衡,使其能夠正常工作。因此,中型和小功率的逆變器經(jīng)常會(huì)見到半橋逆變電路的影子。因此，半橋逆變電路并不能滿足本設(shè)計(jì)的具體要求。圖3.1半橋逆變電路原理圖在本系統(tǒng)中，高頻逆變電路起到了承上啟下的作用，一方面高頻逆變電路將直流電路電路中的直流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的交流電，另一方面高頻逆變電路為下一階段諧振補(bǔ)償電路的順利運(yùn)行起到了不可或缺的作用。一般來說，全橋逆變電路負(fù)載兩端的電壓幅值是同樣半橋逆變電路的2倍。全橋逆變器的逆變頻率越高，功率傳輸效率越高。對于本系統(tǒng)而言，干擾信號(hào)越小越好。全橋逆變器的諧波很小，逆變頻率高，滿足設(shè)計(jì)要求。如果此時(shí)負(fù)載發(fā)生諧振，開關(guān)損耗降到最低。當(dāng)電流相位和電壓相位完全相同時(shí)，系統(tǒng)可以達(dá)到諧振狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，需要有效地控制由高電壓、高電流引起的電磁干擾和開關(guān)器件的開關(guān)損耗。過高的電磁干擾和開關(guān)損耗對本系統(tǒng)運(yùn)行十分不利。全橋逆變電路對于大功率逆變適應(yīng)性良好。因此在本系統(tǒng)中高頻逆變電路模塊設(shè)計(jì)應(yīng)選擇全橋逆變電路，進(jìn)而提高了本系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。全橋逆變電路在日常生活大功率逆變器中得到了廣泛應(yīng)用，起到了至關(guān)重要的作用。圖3.2為全橋逆變電路的原理圖展示。圖3.2全橋逆變電路原理圖基于本系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)展情況,根據(jù)整個(gè)控制電路的開關(guān)工作電壓和開關(guān)輸出輸入電流量的大小等相關(guān)特點(diǎn)因素來進(jìn)行決定如何設(shè)計(jì)選擇一個(gè)完整的全方位橋式直流逆變器在整個(gè)開關(guān)電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)開關(guān)電源管,本系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中首先選取了一個(gè)開關(guān)功率大的MOSFET作為整個(gè)系統(tǒng)中的開關(guān)管,主要因?yàn)楣β蔒OSFET運(yùn)行動(dòng)作速度快、無二次元件打孔或被擊穿的異?，F(xiàn)象,且穩(wěn)定性良好。此外,MOSFET還具有良好的熱穩(wěn)定性和較大的安全工作面積。與其他開關(guān)元件相比,MOSFET具有啟動(dòng)頻率高、損耗小的特點(diǎn)。另外,MOSFET溫度系數(shù)為正,直接并聯(lián)使用時(shí)便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電流平衡,使用相對方便,過熱點(diǎn)也不會(huì)出現(xiàn),還可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。基于本系統(tǒng)的運(yùn)行方式,本系統(tǒng)選擇了單極性PWM模式,其主要原因之一就是與采用雙極性PWM模式的系統(tǒng)相比,單PWM模式的最大輸出功率和電流都含有相對較小的中高次諧波分量,而采用雙極性PWM則含有較多的中高次諧波分量。而在本系統(tǒng)中,諧波分量應(yīng)盡可能小,為了避免較大的諧波分量對系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成一定影響。圖3.3、圖3.4分別表示的是單極性PWM調(diào)制方式的仿真電路的仿真波形。圖3.3單極性PWM調(diào)制方式的仿真電路圖3.4單極性PWM調(diào)制方式的波形圖3.2諧振補(bǔ)償電路諧振補(bǔ)償電路是本系統(tǒng)的核心，起到了非常重要的作用。諧振式無線充電系統(tǒng)能否在較短距離內(nèi)有效地完成電能的高效傳輸，其關(guān)鍵在于諧振拓?fù)潆娐纺芊裾嬲咏耆C振，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)越接近完全諧振，無線充電的效率也越高通常情況下,諧振補(bǔ)償電路一般分為串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路和并聯(lián)諧振補(bǔ)償電路。串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路中的阻抗就是一種存儲(chǔ)電阻的特性。并聯(lián)諧振電路中的阻抗就是一種存儲(chǔ)電阻的特性。在本系統(tǒng)中,諧振能的一個(gè)本質(zhì)含義就是公共電動(dòng)自行車中的電場能和電感中的磁場能相互地進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行增減、加速和完全地補(bǔ)償,從而能夠進(jìn)行電能的高效傳輸。在這一過程中,電場能與磁場的動(dòng)力能之和總是保持不變的,本系統(tǒng)中,電源不再是一個(gè)用電容器或者是電感器來回地轉(zhuǎn)換能量,只是為了提高電路中由于電阻而消耗的能量。諧振補(bǔ)償電路廣泛應(yīng)用于廣播、電視等電路中,也應(yīng)用于正弦波振蕩器電路中。諧振補(bǔ)償電路中Q值越高,在一定的頻偏下電流減小就會(huì)下降得更快。換言之,就是說,電路的可靠性和選擇度由該電路產(chǎn)生的品質(zhì)因數(shù)Q來確定。Q值越高,選取的可能性就越好。相反,Q值越低,選擇性就會(huì)變差。該系統(tǒng)采用LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了一次回路和二次回路的耦合。系統(tǒng)一次回路采用串聯(lián)諧振補(bǔ)償，能承受線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢，減少對逆變電路中開關(guān)器件的損壞，減少不必要的損耗，提高一次回路的功率因數(shù)。二次側(cè)電路采用串聯(lián)諧振補(bǔ)償，負(fù)載電壓不會(huì)因負(fù)載變化而變化，為系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定奠定了一定的基礎(chǔ)。要想使本系統(tǒng)能夠正常平穩(wěn)運(yùn)行，除了良好準(zhǔn)確的電路設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，還需要將各模塊電路進(jìn)行組合，互相作用。整個(gè)過程需要良好的適應(yīng)性與邏輯性，還應(yīng)該具有合理的“性價(jià)比”。作為本設(shè)計(jì)的重中之重，諧振補(bǔ)償電路起到了承上啟下的作用。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，電能的無線高效傳輸主要通過諧振補(bǔ)償電路利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)選用如圖3.5所示的無線充電系統(tǒng)諧振器，圖中②為原邊線圈，④為副邊線圈，①⑤分別接電源和用電設(shè)備，③表示電能無線傳輸?shù)穆窂剑吘€圈和副邊線圈的兩端各放置一對平板電容器，與螺旋導(dǎo)線線圈的電感共同構(gòu)成無線充電系統(tǒng)諧振器。該諧振器使用原理簡單，價(jià)格適中，具有良好的適應(yīng)性，能夠更加直觀準(zhǔn)確地反映無線電能傳輸?shù)穆窂健?/p>

圖3.5無線充電系統(tǒng)諧振器諧振器基本尺寸簡化如圖3.6所示，其中:R=50cm，S=150cm，d=1.0cm，a=2cm：本文使用直徑r=1.6cm的銅導(dǎo)線纏60圈成圓桶狀，根據(jù)公式(3-1)計(jì)算諧振器線圈的電感值：(3-1)≈1.56uH圖3.6諧振器基本尺寸簡化圖根據(jù)公式(3-2)計(jì)算諧振器上平板電容值，式中=12：(3-2)≈根據(jù)公式(3-3)可以計(jì)算出諧振頻率(3-3)≈根據(jù)公式(3-4)計(jì)算負(fù)載電阻(3-4)≈25Ω諧振補(bǔ)償電路原理圖如圖3.7所示，設(shè)激勵(lì)源內(nèi)阻R1=8?，得到原邊線圈阻抗上交變電壓波形如圖3.8所示，且由圖3.9可看出當(dāng)諧振器激勵(lì)源振蕩頻率與諧振器LC電路固有頻率完全相等或近似相等時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)諧振。諧振越明顯，代表本系統(tǒng)無線電能傳輸?shù)男室苍礁?。圖3.7諧振補(bǔ)償電路原理圖圖3.8諧振補(bǔ)償電路激勵(lì)源參數(shù)圖3.9諧振補(bǔ)償電路諧振時(shí)的波形圖3.3高頻整流電路高頻整流電路的作用是將本系統(tǒng)中的交流電轉(zhuǎn)換成為直流電能,給直流電源裝置進(jìn)行供電。高頻整流電路在直流電機(jī)、電解電源、電鍍等日常生活和工作中使用廣泛。脈動(dòng)濾波器將交流信號(hào)通過鏈接輸入到直流主轉(zhuǎn)換電路和交流負(fù)載之間,用來控制濾除交流信號(hào)在一個(gè)脈動(dòng)直流信號(hào)電壓下的脈動(dòng)交流信號(hào)分量。變壓器的具體設(shè)置方式能否根據(jù)具體條件要求來進(jìn)行確定。變壓器的自動(dòng)功能主要是通過電壓傳感器功能來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速交流電路輸入輸出電壓和直流電路輸出輸入電壓之間的自動(dòng)匹配,實(shí)現(xiàn)了高速交流高壓供電線路網(wǎng)絡(luò)與高壓整流供電線路的內(nèi)部電氣安全隔離。整流穩(wěn)壓電路的功能分類方法可從各個(gè)方面應(yīng)用來對其功能進(jìn)行準(zhǔn)確劃分,主要的幾種劃分分類方法大致包括:根據(jù)各類整流穩(wěn)壓電路的器件結(jié)構(gòu)不同,它們大致一般可以劃分為兩種類型橋式整流電路和一種零位整流電路;根據(jù)其器件組成的不同,可以依次劃分分別為不完全的微可控、半自動(dòng)化和全可控;根據(jù)一個(gè)交流變壓器二次輸出電流的振動(dòng)頻率和二次流向,它們大致可以依次劃分分別為單向或雙面、一次拍整流電路和二次相連拍整流電路;根據(jù)各個(gè)單相交流電路輸入相的電流個(gè)數(shù),分為一個(gè)新的單相整流電路和多相整流電路。整流轉(zhuǎn)換電路大致來說可以將其劃分成作為兩個(gè)斬波相控器的整流轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)斬波整流控制器的整流轉(zhuǎn)換電路。考慮到系統(tǒng)的整流效率和實(shí)際效果，此時(shí)整流得到的直流電源中仍有少量交流紋波，不能直接向負(fù)載供電。因此，系統(tǒng)采用濾波電容器，通過充放電功能濾除系統(tǒng)中無用的交流紋波，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖3.10為高頻整流電路原理圖的展示。圖3.10高頻整流電路原理圖3.4升壓及其負(fù)載電路升壓電路和其負(fù)載電路導(dǎo)致輸出的電壓比較高，這主要是由于電源輸入的電壓比較高。一是在采用電感器進(jìn)行儲(chǔ)能后會(huì)使得電壓迅速增長;另一方面,電容器也可以繼續(xù)保持一定的輸出電壓，升壓電路及其負(fù)載電路也可以看作是一個(gè)直流變壓器。目前,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單相功率因數(shù)校正電路等交直流電路均采用升壓負(fù)載電路。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1Proteus仿真軟件介紹Proteus仿真控制軟件是一款由英國電子公司所研制和生產(chǎn)的電子元件仿真軟件。該軟件新版增加了先進(jìn)的電子原理示意圖設(shè)計(jì)工具、混合模型Spice仿真、Pcb電路設(shè)計(jì)和自動(dòng)接地連線等多種功能，形成了一個(gè)完全可以實(shí)現(xiàn)多種功能的嵌入式電子設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)。Proteus軟件在不斷的系統(tǒng)更新和增加新的處理器類型。因此,越來越多的人將Proteus軟件作為系統(tǒng)仿真、電路原理圖的繪畫、單片機(jī)學(xué)習(xí)和開發(fā)的必備工具。該軟件更加受到從事單片機(jī)教學(xué)的教師、學(xué)習(xí)單片機(jī)仿真的學(xué)生以及從事單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的研發(fā)人員的喜愛。為相關(guān)人員的仿真工作提供了一定的便利性與實(shí)用性。1.其功能特點(diǎn)：1）原理布圖2）PCB自動(dòng)或人工布線3）SPICE電路仿真2.革命性的特點(diǎn)：1）互動(dòng)仿真使實(shí)際操作性增強(qiáng)2）仿真中虛擬分析使得輸出效果更加直觀4.2系統(tǒng)仿真電路圖根據(jù)前三章的闡述，提出對本系統(tǒng)的整體方案，該系統(tǒng)可分為電源產(chǎn)生輸出電路模塊、無線電能傳輸電路模塊、電壓采樣及顯示電路模塊。本環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖4.1、4.2、4.3所示。圖4.1電壓采集及顯示電路圖圖4.2電源產(chǎn)生電路圖圖4.3無線電能傳輸電路圖4.3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析在上述的仿真電路圖中，本設(shè)計(jì)輸入電壓為10V。一次線圈和二次線圈自感比相同。本設(shè)計(jì)以諧振補(bǔ)償電路作為設(shè)計(jì)核心，通過電磁感應(yīng)原理進(jìn)行了電能的無線高效傳輸。在仿真完成后，通過示波器對本系統(tǒng)電路中電流、電壓的波形進(jìn)行測量，具體波形圖如圖4.4、4.5所示。圖4.4仿真電流波形圖圖4.5仿真電壓波形圖通過這次仿真分析，本設(shè)計(jì)中的仿真電路滿足對公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電。本設(shè)計(jì)的電壓和電流也基本穩(wěn)定在一定數(shù)值，有一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓為本設(shè)計(jì)的理論準(zhǔn)確性實(shí)踐可行性奠定了一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)。結(jié)論為了實(shí)現(xiàn)高效可靠的公共電動(dòng)自行車的諧振式無線充電，本文將諧振式無線功率傳輸技術(shù)應(yīng)用于公共電動(dòng)自行車的無線充電，一方面避免了傳統(tǒng)接觸式充電的插拔操作的不可靠性，提高了公共電動(dòng)自行車的安全系數(shù)，另一方面，實(shí)現(xiàn)公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電后，將為人類生活提高一定便利性，方便人們出行。本文對公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別對原邊線圈的倍壓整流濾波、高頻逆變電路以及副邊線圈的整流濾波電路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的電路仿真分析，并對系統(tǒng)的原邊及副邊的控制進(jìn)行了探討。因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際工程中有一定的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)取得的主要研究成果和結(jié)論如下：（1）通過基于電磁感應(yīng)原理的諧振式無線充電系統(tǒng)，提高了公共電動(dòng)自行車在充電過程中的安全性和可靠性。（2）與有線充電技術(shù)相比，本文所設(shè)計(jì)諧振式無線充電系統(tǒng)能夠提高公共電動(dòng)自行車的充電效率，方便人們出行。由于個(gè)人能力不足，本文目前存在一些尚未解決的問題，首先對于公共電動(dòng)自行車的諧振式無線充電技術(shù)：由于系統(tǒng)的關(guān)鍵部分在于諧振器的結(jié)構(gòu)，由于諧振器通常是環(huán)形的線圈形式，這樣就會(huì)導(dǎo)致公共電動(dòng)自行車騎行者或乘坐人員所佩帶的金屬質(zhì)項(xiàng)鏈、鑰匙等線圈，可能會(huì)與本系統(tǒng)形成諧振回路，這樣極大可能會(huì)響系統(tǒng)正常工作，也必然是潛在的安全隱患，另外由于空間環(huán)境中必然存在各式各樣的電磁波，而且電磁波可能引發(fā)不必要的的串?dāng)_耦合同樣會(huì)影響系統(tǒng)的無線傳輸安全和效率；以后可以該方面進(jìn)行改進(jìn)，使得本系統(tǒng)更加便捷，更加智能化。參考文獻(xiàn)[1]石臣鵬.電動(dòng)自行車交通現(xiàn)狀及對策分析［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2008,27(5):772．[2]常徐,王浩陳,董鑫,田會(huì)峰.公共電動(dòng)自行車諧振式無線充電裝置設(shè)計(jì)[J].變頻器世界,2019(03):70-72+76.[3]賈君瑞,董航飛,嚴(yán)帥.太陽能供電的公共電動(dòng)自行車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2018(10):136-139+129.[4]麥瑞坤,張友源,陳陽,寇志豪,何正友,李偉華.可配置充電電流的變結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(11):3335-3343.[5]劉振威,張曉麗,陳天錦,甘江華,劉向立.電動(dòng)汽車無線充電新型DD耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J/OL].[6]范艷紅,楊奕暉,馬茜,顧玖,解大.基于分布式無線充電設(shè)備的電動(dòng)公交車線路規(guī)劃[J].電氣自動(dòng)化,2020,42(02):16-18.[7]劉振威,陳天錦,甘江華,曹智慧,胡明珠.基于電動(dòng)汽車無線充電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界,2020(06):130-132.[8]鄧凌翔，侯士亮,楊承潘,方舉昊,陳健,黃俊碩.磁耦合諧振式電動(dòng)汽車無線充電樁的電磁特性研究[J].[9]陸坤,奚大順.電子設(shè)計(jì)技術(shù)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1997:75-106.[10]高鍵鑫，吳旭升，高嵬，等．電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)研究綜述［J］．電源學(xué)報(bào)，2017，15(2):166－178．[11]李陽，楊慶新，閆卓，等．磁耦合諧振式無線電能傳輸方向性分析與驗(yàn)證[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：197．203．[12]Mohan,Undeland,andRobbin“PowerElectronicsConverters,ApplicationsandDesign”3rdedition,