0 引言

    耦合諧振式無線充電系統(tǒng)基于電磁諧振原理，當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，電能通過非輻射近場從一次側(cè)高效地傳輸?shù)蕉蝹?cè)[1]。由于無線充電系統(tǒng)的能量接收端跟能量發(fā)射端相對位置不固定以及負(fù)載阻抗變化，無法保證無線充電系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)，限制系統(tǒng)的電能傳輸效率。

    實(shí)際使用中由于負(fù)載變化，線圈相對位置變化，無線充電系統(tǒng)的耦合諧振頻率會發(fā)生改變，無法與次級電路固有諧振頻率相匹配，導(dǎo)致充電效率和穩(wěn)定性降低。

    目前主要通過加入一次側(cè)諧振補(bǔ)償裝置來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[1]通過電容陣列裝置進(jìn)行穩(wěn)頻補(bǔ)償控制，但是裝置實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，多電容陣列大功率應(yīng)用無法實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]通過晶閘管控制無功補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻控制，缺點(diǎn)是目前使用的無線充電開關(guān)頻率超過10 kHz，無功補(bǔ)償裝置的開關(guān)管開關(guān)頻率超過100 kHz，對應(yīng)的大功率開關(guān)管幾乎沒有，因此實(shí)現(xiàn)相對困難。文獻(xiàn)[3]通過變結(jié)構(gòu)方式解決寬幅在輸出電壓不穩(wěn)定問題，可以一定程度地提高效率，其局限性在于無法進(jìn)行精確控制穩(wěn)頻。

    本文引入正交鐵芯可變電感，由于其具有線性特性，控制實(shí)現(xiàn)簡單，以此進(jìn)行一次側(cè)諧振補(bǔ)償，對其可行性進(jìn)行研究。

1 無線充電電容補(bǔ)償原理分析

    感應(yīng)耦合式無線充電，由于其原副線圈距離較遠(yuǎn)，耦合系數(shù)比較低，利用諧振耦合可以在松耦合條件下有效傳輸電能。典型的感應(yīng)耦合式無線充電系統(tǒng)有如下四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為串串（SS）、串并（SP）、并串（PS）、并并（PP）^[4]。以串-并結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。設(shè)Z_S為副邊回路總阻抗，則：

其中：

r₂為副邊線圈的寄生電阻。

    確定副邊參數(shù)和副邊諧振頻率，大約在10 kHz到30 kHz。在副邊線圈電感一定的情況下，可以得到諧振角速度：

其中r₁為一次側(cè)電感線圈寄生電阻。

    原邊的諧振頻率必須與副邊諧振頻率相同，電能傳輸效率才會最高，令ω=ω₀。要滿足諧振調(diào)節(jié)，令Z₁虛部為零。一次側(cè)線圈電感確定的情況下，可以計(jì)算得到：

    根據(jù)以上計(jì)算方法，同樣可以用于并-并，并-串，串-串結(jié)構(gòu)電路的補(bǔ)償電容計(jì)算。諧振補(bǔ)償結(jié)果可分別計(jì)算，結(jié)果如表1。

    其諧振補(bǔ)償量，由于副邊線圈阻抗不同，原副相對位置的變化，進(jìn)而導(dǎo)致此次反射到一次側(cè)的阻抗會隨時(shí)發(fā)生變化。為了讓無線充電裝置時(shí)刻處于諧振狀態(tài)，需要時(shí)刻根據(jù)負(fù)載大小位置的變化改變補(bǔ)償阻抗。

2 正交磁芯原理

2.1 正交磁芯可調(diào)電抗器原理

    可調(diào)電抗器部分基于正交磁芯原理。結(jié)構(gòu)如圖2所示。磁芯采用管狀結(jié)構(gòu)，亦可采用硅鋼片。磁芯內(nèi)外繞有控制線圈，磁芯外周繞有電感線圈，兩組線圈正交，因此，直流電流不會影響電抗器的線性特性^[5]。根據(jù)磁籌理論，磁性材料磁籌磁化方向受外加磁場影響，磁籌磁化方向朝外磁場方向磁化。跟外磁場方向相同的磁籌被加強(qiáng)，方向相反的磁籌被抑制，材質(zhì)磁性因此被磁化^[6-7]。材質(zhì)的磁導(dǎo)率受磁籌轉(zhuǎn)化難易程度影響。

    可變電感結(jié)構(gòu)如圖2所示。鐵芯由硅鋼片構(gòu)成，繞成圓柱形狀。分別繞鐵芯水平和豎直方向繞線圈。豎直導(dǎo)電線圈通過高頻交變電流，產(chǎn)生垂直方向變化磁場。水平繞制的導(dǎo)線通過控制直流電流，產(chǎn)生橫向磁場。直流控制電流越大，橫向磁場越大，交變磁場方向的磁導(dǎo)率受到抑制，磁導(dǎo)率降低，受控電感線圈的電感減小?？刂齐娏髟酱?，電感量越小。受控電感量L與控制電流Idc的關(guān)系可用式(11)表述：

2.2 基于正交磁芯的諧振補(bǔ)償調(diào)控原理

    無線電能傳輸系統(tǒng)采用串-并結(jié)構(gòu)。由式(9)、式(11)可得到直流控制電流I_dc與變化互感M之間的關(guān)系：

由式(11)可知，變化互感值M始終對應(yīng)確定控制電流I_dc，兩者之間符合線性關(guān)系。一次端口等效電路如圖3所示。

    根據(jù)一次側(cè)等效電路可以給出負(fù)載吸收的有功功率：

線圈距離或者負(fù)載改變后，系統(tǒng)諧振頻率不變，調(diào)節(jié)控制電流I_dc，當(dāng)一次側(cè)電流最大時(shí)，無線充電系統(tǒng)再次諧振^[8]。通過采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)控制，能夠方便有效地獲得二次側(cè)最大輸出功率效率。諧振補(bǔ)償裝量控制流程如圖4所示，控制過程為：控制入口給定一個初始控制電流I_dc0，測得一次側(cè)電流，疊加一個微小參考變化ΔI_dc=0.2 A，根據(jù)一次側(cè)電流變化判斷進(jìn)入流增控制還是流減控制。最后通過增流模式和減流模式之間匹配切換選定目標(biāo)控制電流。使得系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，得到最大輸出效率。

3 實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

    設(shè)計(jì)了一臺功率為300 W的無線充電樣機(jī)。圖5為無線充電諧振補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)電路，正交磁芯可調(diào)電抗器與一次測電容C₁、一次側(cè)線圈串聯(lián)。

    實(shí)驗(yàn)采用磁硅鋼片卷繞成的圓柱鐵芯，高12 cm，內(nèi)徑6.2 cm，外徑7.9 cm。垂直交流線圈電感L₀為170 μH。豎直方向控制電感為42 μH。通入可控直流電流之后，豎直線圈電感量與控制直流電流大小關(guān)系如圖6。

    實(shí)驗(yàn)電能發(fā)送線圈波形如圖7(a)所示，負(fù)載電壓波形如圖7(b)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    實(shí)驗(yàn)探究線圈相對位置對傳輸效率的影響。通過改變線圈軸向相對位置，比較加裝無線充電電容補(bǔ)償裝置前后傳輸效率。系統(tǒng)無補(bǔ)償時(shí)線圈相距8 cm處完全諧振。結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)如表2。

4 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：線圈相對位置在一定范圍內(nèi)變化，加入諧振補(bǔ)償裝置之后，使得無線充電系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)，系統(tǒng)電能輸出可以獲得相對較高效率。超過一定范圍以后，線圈互感減小，無線充電整體效率降低。本裝置相較于TCR補(bǔ)償控制方式，補(bǔ)償控制過程更加便捷，具有較高的線性特性因而控制過程更加平滑，無諧波產(chǎn)生。缺點(diǎn)是電感調(diào)節(jié)范圍沒有TCR裝置廣，另外由于補(bǔ)償電感的加入，能量發(fā)射線圈和接收線圈的電壓降低，驅(qū)動相同負(fù)載，需要系統(tǒng)輸入更高電壓，可以考慮引入變結(jié)構(gòu)模式進(jìn)一步研究克服。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

余明楊，潘永兵

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電氣工程系，湖南 長沙410075）