臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文將呈現一非接觸式充電器的硬體架構分析與設計，並在變壓器一次側針對鉛酸電池進行多段式定電流充電的迴授控制。本文所設計之非接觸式充電器的硬體架構是將變壓器一次側(Primary)與二次側(Secondary)以間距(Gap)2.8 mm的距離隔開，此時變壓器呈現出一弱耦合(Loosely coupled)變壓器性質，再利用電容與弱耦合變壓器的等效電感以及負載端的等效電阻產生一串聯共振電路，此時能量將可由一次側穿過較大的間距傳送到二次側，以達到提高傳電效能的目的；雖然非接觸式系統是以串聯共振定義去設計，但是系統的整體效率卻不高，因此本文在二次側端並聯一電容，使系統成為串－並聯共振電路，利用並聯電容改善系統整體效率，並於二次側端連接一整流電路(Rectifier)後直接與鉛酸電池相接進行充電。本文採用數位控制晶片TMS320LF2407A作為充電器的控制核心，並直接在變壓器一次側端進行電流迴授控制，透過控制責任週期(Duty cycle)達成充電端多段式定電流充電的充電法則；最後可由實驗結果驗證本文所述硬體架構設計與一次側迴授控制之結果。

In this thesis, the analysis and design of the hardware structure for the contactless charger is presented. By separating the primary and secondary sides with a 2.8 mm gap, the transformer will be loosely coupled. Two types of resonant circuits including series resonant and series-parallel resonant circuits are investigated in this thesis to improve the energy transferring efficiency. A rectifier circuit is added on the secondary side to form the complete contactless battery charger system.
The controller used in this thesis is a TMS320LF2407A digital signal processor by Texas Instruments. Charging pattern and control algorithms are implemented in this digital control chip. Current-feedback on the primary side of transformer is used to implement a multistage constant-current mode controller for Valve-Regulated Lead-Acid (VRLA) battery. The advantages of using primary side control include hardware complexity reduction and elegant design. Simulations and experimental results are also provided in this thesis to validate the context.

第一章 緒論……………………………………………………………...1
1.1 研究背景與動機……………………………………………1
1.2 論文架構……………………………………………………4
第二章 鉛酸電池與二次電池充電法則介紹…………………………...5
2.1 鉛酸電池簡介……………………………………………....5
2.1.1 鉛酸電池之特性與應用……………………………..5
2.1.2 鉛酸電池之密閉原理………………………………..6
2.1.3 鉛酸電池規格表……………………………………..6
2.2 二次電池充電方法簡介…………………………………....8
2.2.1 二次電池充電法則…………………………………..9
2.2.2 二次電池充電器架構簡介…………………………11
第三章 非接觸式轉換器電路分析與模擬…………………………….16
3.1 變壓器模型分析…………………………………………..16
3.1.1 耦合係數的探討……………………………………18
3.2 非接觸式轉換器電路分析………………………………..20
3.2.1 串聯共振電壓增益函式……………………………20
3.2.2 串聯共振電流增益函式…………………………....24
3.2.3 一次側輸入阻抗…………………………………....25
3.3 非接觸式轉換器電路特性模擬…………………………..26
3.3.1 串聯共振電路特性模擬…………………………....27
3.3.2 串－並聯共振電路分析與特性模擬………………29
3.3.3 非理想之串－並聯共振電路特性模擬…………....32
3.4 非接觸式轉換器PSIM電路模擬………………………...34
3.4.1 串聯共振電路模擬…………………………………34
3.4.2 串－並聯共振電路模擬…………………………....36
第四章 非接觸式充電器設計流程…………………………………….38
4.1 硬體設計介紹……………………………………………..39
4.1.1 鐵心材質與形狀介紹……………………................39
4.1.2 耦合係數的測量…………………………................40
4.1.3 非接觸式充電系統的建立……………....................43
4.2 非接觸式充電器一次側迴授模擬與設計………………..47
4.2.1責任週期的控制分析……………………………….49
4.2.2 非接觸式轉換器定電流控制模擬…………............53
4.2.3 非接觸式轉換器充電器控制模擬…………............54
4.2.4 迴授電路的設計……………………………............56
4.3 軟體設計介紹……………………………………………..57
4.3.1 數位控制器的實現………………………................57
4.3.2 程式流程圖說明…………………………………....58
第五章 實驗結果……………………………………………………….60
5.1 非接觸式供電器的驗證…………………………………..60
5.1.1 輸入電壓、二次側電壓與一次側電流……………..60
5.1.2 不同負載下的串－並聯共振系統輸出電壓…........63
5.1.3 不同負載下的電流增益……………………............66
5.2 非接觸式充電器的驗證…………………………………..70
第六章 結論與建議…………………………………………………….71
參考文獻………………………………………………………………...72

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