机器人无线充电工作频率的选择

　　机器人无线充电功率等级情况

　　机器人无线充电功率等级在300W，600W，1kW，1.5kW，3KW功率等级较多，输出电压在24V，48V的居多。充电电流从5A~50A之间。充电的电池类型基本上是磷酸铁锂电池和三元锂电池，其中磷酸铁锂使用更多些。

　　无线充电的主要部件工作频率分析

　　无线充电的主要部件是逆变桥，原边谐振补偿电路，功率发送线圈，功率接收线圈，副边谐振补偿电路整流电路。

　　对系统效率，传输功率造成重要影响的是功率发送线圈和功率接收线圈，功率发送线圈和功率接收线圈以下统称线圈。

　　线圈的频率选择

　　线圈工作在高频，需选用利兹线制作，其主要特性参数是电感量L、分布电容C和损耗电阻 R。损耗电阻包括直流电阻、交流电阻、介质损耗电阻。

　　                                                              图1，线圈高频工作的模型

　　交流电阻对线圈的损耗影响最大，从表1的样本线圈数据可以看到，随着线圈频率的增加交流电阻逐渐增大，从5KHz时的0.139Ω增加到200KHz的4.05Ω。图2可以看到频率在120KHz后，线圈的交流电阻会迅速增大。考虑到线圈的体积，重量，传输距离，偏移范围，传输的功率，需选择一个合适的频率使线圈的传输功率，距离，偏移满足要求的情况下，线圈体积尽量小，效率尽量的高。

                 表1，样本线圈的交流电阻测量值

　　                                                   图2，样本线圈交流电阻随频率变化趋势图

　　                                   图3，利兹线在不同频率下的趋肤效应和邻近效应

       图3可以看到，利兹线在100KHz邻近效应开始明显，随着频率增加，趋肤效应和邻近效应作用下，利兹线的交流电阻会迅速增加。

　　由于电阻损耗与电流的平方成正比，所以可以根据输出功率等级划分不同的线圈工作频率范围。对于3kW功率等级，电压输出24V时，线圈电流会到50A以上，工作频率在100KHz以上时，线圈的交流电阻损耗会超过136瓦，为降低损耗，需要使用更多股的利兹线，对线圈的制作和散热处理会增加较高成本，所以大电流情况下可采用并联方式，减少对线圈线缆和散热的处理成本要求。

       谐振补偿电路中的电容频率选择

　　谐振补偿电路会有电容与线圈串联或并联，以补偿漏感和组成谐振电路。在高频电路中，电容一般选择薄膜电容，电容为图4 所示的包含多种寄生参量的等效电路，其中 C 为等效电容，L 为引线电感，Rs为串联电阻，Rp为介质的漏电阻，所有的这些电阻均会造成能量的损耗。

　　                                        图4，电容在高频下的等效电路图

　　                                      图5，薄膜电容不同频率下的耐压

　　谐振补偿电路的电容有可能工作在较高的电压下，高频时薄膜电容的耐压会下降，图5，可以看到，薄膜电容工作频率大于10KHz时耐压就迅速下降，为保持谐振电路工作就会用多个电容串联来降低电容的工作电压。也可以将电容分段补偿到线圈中，但这样又会增加线圈的加工难度。多个电容的串联又增加了Rs，这又会导致损耗的增加。由于大于100KHz后，薄膜电容的串联数量较多，为保持电容值又需要并联电容，导致补偿电容的数量会增加较多，使效率下降，体积和成本的增加。

　　此外，无线充电会有导磁率低的金属屏蔽层，以减少电场辐射，金属屏蔽层随着线圈工作频率的增大，涡流损耗也会增加。

　　在其他条件不变的情况下，由于频率越高，传递相同功率的磁芯体积越小，对于安装空间有限的小型机器人很重要，同时由于频率升高引起的磁芯损耗显得次要一些;所以50A以下的机器人无线充电选用小于100kHz，但接近100kHz附近的工作频率是可行的。