0 引言

    無線電能傳輸技術(shù)主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、植入式醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子和工業(yè)等領(lǐng)域^[1-4]。無線電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)載通常為電機(jī)或電池^[5-6]，因此一般希望系統(tǒng)輸出電壓保持恒定^[7]。通過調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC變換器的占空比、逆變器的工作頻率等方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定，但是發(fā)射回路添加DC/DC變換器增加了線路的復(fù)雜性，頻率調(diào)節(jié)會破壞系統(tǒng)的諧振狀態(tài)^[8-11]。另一方面，為保證系統(tǒng)的高效率，研究人員提出了多種技術(shù)方案，例如利用接收回路DC/DC變換器控制系統(tǒng)輸出電壓，同時通過等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC變換器輸出電壓搜索最小輸入電流工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大效率，但是該方法調(diào)節(jié)緩慢，并且添加DC/DC變換器會降低系統(tǒng)效率，增加其體積和控制復(fù)雜性^[12-13]。文獻(xiàn)[10]通過調(diào)節(jié)發(fā)射回路逆變器的移相角控制系統(tǒng)輸出電壓，同時利用接收回路半控整流器匹配最優(yōu)負(fù)載來達(dá)到最大效率點(diǎn)，但是半控整流器開關(guān)頻率與逆變器相同，損耗較大，并且控制復(fù)雜。

    本文提出一種能量注入與移相控制相結(jié)合的最大效率恒壓控制方法，在負(fù)載變化時，通過調(diào)節(jié)發(fā)射回路逆變器的移相角實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出，同時改變逆變器的能量注入占空比來匹配負(fù)載阻抗，實(shí)現(xiàn)最大效率。該方法僅利用逆變器就實(shí)現(xiàn)了恒壓輸出和最大效率，無需添加額外的功率電路，控制簡單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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為無線電能傳輸系統(tǒng)電路圖，它主要由全橋逆變器、發(fā)射線圈、接收線圈、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、全橋整流器和負(fù)載電阻組成，全橋逆變器由開關(guān)管Q₁~Q₄和二極管D₁~D₄構(gòu)成，全橋整流器由二極管D₅~D₈和電容C_o構(gòu)成，R_L為負(fù)載電阻；L₁、L₂和M分別為發(fā)射線圈、接收線圈的自感以及兩線圈間的互感，r₁和r₂分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電阻，C₁和C₂分別為發(fā)射回路和接收回路的補(bǔ)償電容，E為直流電源電壓，U₁和I₁分別為逆變器的輸出電壓和電流的基波有效值，U₂和I₂分別為全橋整流器輸入電壓和電流的基波有效值，U_o和I_o分別為系統(tǒng)輸出電壓和電流。由圖1可以得到：

1.2 能量注入的移相恒壓控制方法

1.2.1 控制方法分析

    當(dāng)整流器輸入等效電阻等于最優(yōu)負(fù)載時，系統(tǒng)以最大效率運(yùn)行，這里采用能量注入技術(shù)來控制整流器的輸入等效電阻。能量注入波形如圖2所示，其中u_inv和i₁為逆變器輸出電壓及電流，u_rec和i₂為整流器輸入電壓及電流，T為逆變器工作周期，D為能量注入占空比，T_c為能量注入控制周期。系統(tǒng)存在兩種運(yùn)行模式：模式I中，逆變器工作在移相狀態(tài)，移相角為α，此時，由其向負(fù)載供能同時為電容C_o充電，輸出電壓持續(xù)上升，系統(tǒng)處于能量注入狀態(tài)；模式II中，開關(guān)管Q₁~Q₄全部關(guān)斷，逆變器不為負(fù)載供能，此時主要由電容C_o為負(fù)載供能，輸出電壓持續(xù)下降，系統(tǒng)處于能量耗散狀態(tài)。在模式I中整流器輸入等效電阻為最優(yōu)負(fù)載，模式II中系統(tǒng)不傳遞電能，因此只需對模式I中的系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行分析。

    根據(jù)圖2，模式I中逆變器輸出電壓為：

    從式(13)中可知D最大為1，此時整流器輸入等效電阻R_e為實(shí)際負(fù)載電阻R_L的8/π²倍，若系統(tǒng)的最優(yōu)負(fù)載大于該值，則調(diào)節(jié)能量注入占空比D無法使R_e等于最優(yōu)負(fù)載，因此進(jìn)行參數(shù)設(shè)計時，應(yīng)使最優(yōu)負(fù)載小于8R_L/π²。

1.2.2 控制方法實(shí)現(xiàn)

    直流電壓源E的輸出值保持恒定，系統(tǒng)最大效率恒壓輸出控制由在線調(diào)節(jié)逆變器的能量注入占空比D和移相角α來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式(13)，可知通過上一周期的能量注入占空比D(n)和測量得到的系統(tǒng)輸出電壓U_o及電流I_o可得等效電阻R_e：

2 實(shí)驗(yàn)方法

    為驗(yàn)證本文提出的能量注入和移相恒壓控制方法，按照圖1所示的電路圖搭建了如圖3所示的無線電能傳輸系統(tǒng)。直流電源電壓為25 V，輸出電壓設(shè)置為24 V，輸出功率為5~30 W。發(fā)射線圈與接收線圈結(jié)構(gòu)相同，為平面螺旋線圈，采用300股直徑0.04 mm的利茲線繞制而成，共28匝，最大直徑為70 mm，自感L₁和L₂為24.1 μH，線圈電阻為0.18 Ω，兩線圈間距10 mm，互感M為11.45 μH。發(fā)射回路和接收回路的補(bǔ)償電容C₁和C₂為41 nF，系統(tǒng)諧振頻率為160 kHz。為減小輸出電壓紋波，選擇電容C_o為220 μF，控制周期T_c為0.2 ms。逆變器采用兩個氮化鎵半橋功率器件LMG5200構(gòu)成，續(xù)流二極管D₁~D₄采用型號為SR260的肖特基二極管，整流二極管D₅~D₈采用型號為SS34的肖特基二極管。發(fā)射回路控制芯片采用STM32F103微處理器，霍爾電壓和電流傳感器的型號分別為HVS-AS5-5mA和HNC06LTS，為簡化實(shí)驗(yàn)，采用線性隔離光耦HCNR200代替無線通信反饋信號。

    圖4所示為采用能量注入和移相恒壓控制方法的無線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形，圖4(a)為輸出功率20 W和5 W條件下系統(tǒng)的輸出電壓U_o和電流I_o實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可見，在不同負(fù)載的情況下，系統(tǒng)都能穩(wěn)定地輸出24 V的期望電壓，并且在負(fù)載電阻跳變時，輸出電壓能夠在20 ms內(nèi)快速回歸到期望值。圖4(b)所示為模式I時全橋逆變器輸出電壓和電流波形，從圖中可見，此時電壓電流同相，系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)逆變器移相角控制輸出電壓。圖4(c)~(d)所示為逆變器的輸出電壓和電流波形以及全橋整流器的輸入電壓和電流波形，此時負(fù)載為20 W，因此根據(jù)式(16)可知能量注入占空比為50%。

    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，負(fù)載會發(fā)生變化，此時系統(tǒng)為了滿足最大效率和恒壓輸出，逆變器的能量注入占空比D和移相角α?xí)l(fā)生相應(yīng)變化。圖5所示為不同負(fù)載下，系統(tǒng)控制參數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖。從圖中可見，能量注入占空比與輸出功率成正比，當(dāng)負(fù)載變化時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)D，使整流器輸入等效電阻保持為最優(yōu)負(fù)載。由式(7)及式(15)可見，由于最優(yōu)負(fù)載、互感M以及線圈電阻等參數(shù)是固定的，因此α的理論值為恒定值，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本符合。

    在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)都不變的條件下，僅用移相恒壓控制，使系統(tǒng)輸出電壓保持為24 V。通過實(shí)驗(yàn)可以比較能量注入和移相恒壓控制與移相恒壓控制下無線電能傳輸系統(tǒng)的效率。圖6給出了兩種控制方法的無線電能傳輸系統(tǒng)在不同負(fù)載下的整機(jī)效率圖。從圖中可以看出，采用移相控制時的整機(jī)效率明顯低于采用能量注入和移相恒壓控制時的整機(jī)效率，在5 W~30 W負(fù)載范圍內(nèi)，整機(jī)效率提高了3%~10%，滿載時整機(jī)效率能達(dá)到89%。在能量注入和移相恒壓控制的輕載區(qū)域，逆變器移相造成的損耗比重增大，因此整機(jī)效率隨負(fù)載的減小而減小。

3 結(jié)論

    本文提出了一種無線電能傳輸?shù)淖畲笮屎銐嚎刂萍夹g(shù)，該技術(shù)通過在線控制發(fā)射回路逆變器的能量注入占空比和移相角，使系統(tǒng)在負(fù)載變化時能保持最大效率和恒定的輸出電壓，并且無需添加額外的功率電路。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了磁感應(yīng)無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的可行性和正確性。所提出的控制方法存在一個負(fù)載可控范圍，超出范圍就會失去負(fù)載匹配的作用，進(jìn)一步的研究將關(guān)注在更大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大效率。

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作者信息:

沈鵬飛，謝  岳

(中國計量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018)