0 引言

    無線電能傳輸技術(shù)主要應(yīng)用于電動汽車、植入式醫(yī)療設(shè)備和消費電子設(shè)備^[1-3]。提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率是非常必要的^[4]，而另一方面，無線電能傳輸?shù)呢撦d多為電池或者電機負載^[5-6]，因此通常希望系統(tǒng)輸出電壓或電流保持恒定^[7-8]。為了盡可能提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率，人們提出了多種技術(shù)方案。例如可以根據(jù)效率的函數(shù)表達式，在接收回路進行最大效率工作點的阻抗匹配^[9-11]。在發(fā)射回路和接收回路分別放置DC/DC電路，通過改變接收回路DC/DC進行阻抗匹配以提高系統(tǒng)效率，同時控制發(fā)射回路DC/DC電路保持輸出電壓恒定^[12]，但該方法需要無線通信，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。利用接收回路DC/DC電路控制系統(tǒng)輸出電壓，同時通過等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓搜索最小輸入電流點可實現(xiàn)系統(tǒng)最大效率^[13-14]，然而該方法雖然去除了無線通信環(huán)節(jié)，但調(diào)節(jié)緩慢。利用半控整流電路代替接收回路的二極管整流電路控制輸出電流，因此不需要添加額外環(huán)節(jié)，它同樣采用等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓尋找最小輸入電流點使得系統(tǒng)效率最大^[8]。然而半控整流電路開關(guān)頻率由系統(tǒng)諧振頻率決定，半控整流電路的開關(guān)損耗較大，并且半控整流電路控制復(fù)雜^[15]。

    本文提出了一種利用半控整流電路實現(xiàn)線圈傳輸效率最大的控制方式，與文獻[15]相比，它降低了開關(guān)頻率并且簡化了控制復(fù)雜程度，通過對半控整流電路和Boost電路的控制同時實現(xiàn)最大傳輸效率和恒定電壓輸出，實驗結(jié)果驗證了方法的可行性和正確性。

1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)

1.1 無線電能傳輸系統(tǒng)工作原理分析

    圖1所示為電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖中E為直流電壓源，開關(guān)管VD₁～VD₄構(gòu)成高頻逆變電路，L₁、L₂和M分別為發(fā)射線圈自感、接收線圈自感以及這兩個耦合線圈間的互感，C₁和C₂分別為發(fā)射回路和接收回路的串聯(lián)諧振補償電容，r₁和r₂分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻，二極管D₁、D₂和開關(guān)管VD₅、VD₆構(gòu)成半控整流電路，電感L₃、開關(guān)管VD₇、二極管D₃和電容C₄構(gòu)成Boost電路。U₁和I₁分別為高頻逆變電路的輸出電壓和電流，U₂和I₂分別為半控整流電路的輸入電壓和電流，U_dc為半控整流電路的輸出電壓，U_o為系統(tǒng)輸出電壓，R_L為負載電阻。半控整流電路工作在兩種狀態(tài)下：當VD₅和VD₆不導(dǎo)通時處于全橋整流狀態(tài)，當VD₅和VD₆同時導(dǎo)通時處于短路狀態(tài)，短路狀態(tài)時它在發(fā)射回路的反射電阻為無窮大，因此系統(tǒng)不傳遞能量。

    根據(jù)圖1可得如下方程：

1.2 等效負載模型

    為了簡化分析，將Boost電路及其負載R_L等效成一個電阻R_e1。Boost電路的輸入電壓U_dc與輸出電壓Uo的關(guān)系為U_o=U_dc/(1-d₁)，式中d₁為Boost電路的占空比，理想情況下有^[13]：

2 控制方法

    直流電壓源E的輸出值保持恒定，系統(tǒng)最大效率恒壓輸出的控制由在線調(diào)節(jié)占空比d₁和d₂來實現(xiàn)。通過測量半控整流電路的輸出電壓U_dc和接收線圈電流I₂可以得到等效電阻R_e：

3 實驗方法

    為了驗證所提無線電能傳輸系統(tǒng)最大效率恒壓輸出技術(shù)的正確性，按照圖1搭建了如圖2所示的基于STM32F103RCT6的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，其中VD1～VD7均為K2372型號的MOSFET開關(guān)管。實驗系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示，表中d為同軸平行放置的發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，發(fā)射線圈與接收線圈均采用單股線徑0.1 mm的500股利茲線繞制成大小相同的圓盤形，其中發(fā)射線圈為單層線圈，接收線圈為雙層線圈，D₁和D₂分別為線圈的外徑和內(nèi)徑，f_R和f_B分別為半控整流電路和Boost電路的工作頻率。過高的半控整流電路開關(guān)頻率會造成開關(guān)損耗增大、控制效果不明顯，然而過低的開關(guān)頻率會造成穩(wěn)壓電容C₃的增大，因此本文半控整流開關(guān)頻率f_R采用1 kHz。

    圖3～圖5分別為負載R_L=40 Ω時無線電能傳輸實驗系統(tǒng)各組成部分在一個半控整流電路工作周期下的實驗波形結(jié)果。圖3為半控整流電路的輸入電壓U₂和輸入電流I₂的波形圖。從圖中可以看出，當半控整流電路于短路狀態(tài)時，U₂很小，而由于SS結(jié)構(gòu)的特性I₂保持不變，此時系統(tǒng)幾乎不傳遞電能。圖4為半控整流電路輸出電壓U_dc和電流I_dc波形圖，從圖4可見半控整流電路輸出電壓U_dc=71 V，而由式(14)計算得到U_dcηmax=70.53 V，實驗結(jié)果與系統(tǒng)最大效率時的輸出電壓U_dcηmax理論分析相符，即系統(tǒng)工作在最大效率點。圖5為系統(tǒng)輸出電壓U_o波形圖，可見輸出電壓保持在設(shè)定值100 V。

    系統(tǒng)實際運行時，會出現(xiàn)負載變化和線圈相對位置變化引起的互感變化，此時系統(tǒng)為了滿足最大效率和恒壓輸出，Boost電路占空比d₁與半控整流電路占空比d₂會發(fā)生相應(yīng)變化。圖6為上述實驗條件不變的情況下，僅改變系統(tǒng)負載功率時d₁和d₂的理論值與實驗值的對比圖。由式(14)和式(7)可見，由于互感M及線圈內(nèi)阻等參數(shù)是固定的，因此d₁的理論值為恒定值，而負載功率變大時，需要無線傳輸更多的電能，因此d₂變小，實驗值與理論值基本符合。圖7為僅改變互感M時的d₁和d₂理論值與實驗值的對比圖。由式(8)和式(14)可見，d₁對互感變化不敏感，因此d₁基本保持恒定，而由于互感增大，最大效率時的接收功率減小，為了傳輸更多的電能，因此d₂變小，實驗值與理論值基本相符合。

    在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實驗參數(shù)都不變的條件下，用二極管整流電路替代半控整流電路，構(gòu)成二極管整流的無線電能傳輸系統(tǒng)，同時通過控制Boost電路使系統(tǒng)輸出電壓同樣為100 V。通過實驗可以比較二極管整流和半控整流電路下無線電能傳輸?shù)男?。圖8給出了二種整流電路的無線電能傳輸系統(tǒng)在不同負載功率下的系統(tǒng)效率以及耦合線圈間無線電能傳輸效率的曲線圖。從圖中可看出，采用二極管整流電路時的效率明顯低于采用半控整流電路時的效率。隨著負載功率變小，采用二極管整流電路的系統(tǒng)效率變小，而采用半控整流電路的系統(tǒng)可以保持傳輸效率幾乎不變，并且耦合線圈間的傳輸效率保持在一個很高的水平。

4 結(jié)論

    本文提出了一種無線電能傳輸最大效率恒壓輸出技術(shù)，該技術(shù)通過在線控制接收回路半控整流電路和Boost電路的占空比，使系統(tǒng)在互感變化和負載變化時能保持最大效率恒壓輸出。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了諧振頻率為40 kHz的磁感應(yīng)無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，實驗結(jié)果證明了所提方法的可行性和正確性。由于本文主要關(guān)注最大效率恒壓輸出技術(shù)有效性的研究，因此沒有對無線電能實驗系統(tǒng)各組成部分采取降低損耗的措施。

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作者信息:

林  將，謝  岳

（中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）