《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種最大效率恒壓輸出無(wú)線供能控制技術(shù)研究
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
沈鵬飛,，謝 岳
中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,，浙江 杭州310018
摘要： 針對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)中的恒壓輸出和最大效率問(wèn)題，提出了一種基于能量注入的移相恒壓控制無(wú)線電能傳輸技術(shù),。首先通過(guò)電路分析得到系統(tǒng)電壓增益和傳輸效率等特性函數(shù),，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型控制方法,，通過(guò)改變逆變器的能量注入占空比和移相角，實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的最大效率和恒壓輸出,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性和理論分析的正確性,，在整個(gè)負(fù)載變化范圍內(nèi)，采用能量注入的移相恒壓控制方法時(shí)整機(jī)效率比常見(jiàn)的移相恒壓控制方法提高3%~10%,，滿載時(shí)整機(jī)效率達(dá)到89%,。
中圖分類號(hào)： TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191148
中文引用格式： 沈鵬飛，謝岳. 一種最大效率恒壓輸出無(wú)線供能控制技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2020,，46(4)：89-92.
英文引用格式： Shen Pengfei，Xie Yue. Research on a maximum efficiency and constant voltage output control technology for wireless power transfer system[J]. Application of Electronic Technique,，2020,，46(4)：89-92.
Research on a maximum efficiency and constant voltage output control technology for wireless power transfer system
Shen Pengfei，Xie Yue
Institute of Mechanical and Electrical Engineering,，China Jiliang University,，Hangzhou 310018，China
Abstract： Aiming at the problems of constant voltage output and maximum efficiency of wireless power transfer technology, a wireless power transfer technology based on energy injection and phase-shifted constant voltage control methods is proposed. Firstly, the characteristic functions such as system voltage gain and transmission efficiency are obtained through circuit analysis. Based on this, a novel control method is designed. By changing both the energy injection duty cycle and phase shift angle of the inverter, both the maximum efficiency and constant voltage output of the system are realized when the load changes. The experimental results verify the feasibility of the proposed technology and the correctness of the theoretical analysis. The overall efficiency of energy injection and phase-shifted constant voltage control method is 3%~10% higher than that of the common phase-shifted constant voltage control method within the whole load variation range. At full load, the overall efficiency reaches 89%.
Key words : wireless power transfer,；energy injection,；constant voltage；maximum efficiency

0 引言

    無(wú)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(wú)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(guò)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(huì)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(shí)通過(guò)等步長(zhǎng)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(lái)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(huì)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(guò)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(shí)利用接收回路半控整流器匹配最優(yōu)負(fù)載來(lái)達(dá)到最大效率點(diǎn),，但是半控整流器開(kāi)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(shí)，通過(guò)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(shí)改變逆變器的能量注入占空比來(lái)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(wú)需添加額外的功率電路,，控制簡(jiǎn)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(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

1.1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工作原理分析

    圖1為無(wú)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(kāi)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Co構(gòu)成，RL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，Uo和Io分別為系統(tǒng)輸出電壓和電流,。由圖1可以得到：

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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(shí),，系統(tǒng)以最大效率運(yùn)行，這里采用能量注入技術(shù)來(lái)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uinv和i1為逆變器輸出電壓及電流，urec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，Tc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(shí),，由其向負(fù)載供能同時(shí)為電容Co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(kāi)關(guān)管Q1~Q4全部關(guān)斷，逆變器不為負(fù)載供能,，此時(shí)主要由電容Co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(duì)模式I中的系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行分析,。

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    根據(jù)圖2,，模式I中逆變器輸出電壓為：

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    從式(13)中可知D最大為1，此時(shí)整流器輸入等效電阻Re為實(shí)際負(fù)載電阻RL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(wú)法使Re等于最優(yōu)負(fù)載，因此進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),，應(yīng)使最優(yōu)負(fù)載小于8RL/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(lái)實(shí)現(xiàn),。根據(jù)式(13),，可知通過(guò)上一周期的能量注入占空比D(n)和測(cè)量得到的系統(tǒng)輸出電壓Uo及電流Io可得等效電阻Re：

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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?qǐng)D1所示的電路圖搭建了如圖3所示的無(wú)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Co為220 μF,，控制周期Tc為0.2 ms。逆變器采用兩個(gè)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(hào)為SR260的肖特基二極管，整流二極管D5~D8采用型號(hào)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(hào)分別為HVS-AS5-5mA和HNC06LTS，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn),，采用線性隔離光耦HCNR200代替無(wú)線通信反饋信號(hào),。

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    圖4所示為采用能量注入和移相恒壓控制方法的無(wú)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Uo和電流Io實(shí)驗(yàn)波形,，從圖中可見(jiàn),，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(shí),，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(shí)全橋逆變器輸出電壓和電流波形,，從圖中可見(jiàn),，此時(shí)電壓電流同相，系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài),，通過(guò)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(shí)負(fù)載為20 W,，因此根據(jù)式(16)可知能量注入占空比為50%,。

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    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，負(fù)載會(huì)發(fā)生變化,，此時(shí)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(duì)比圖,。從圖中可見(jiàn)，能量注入占空比與輸出功率成正比,，當(dāng)負(fù)載變化時(shí),，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(jiàn),，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,。

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    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(guò)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(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的效率。圖6給出了兩種控制方法的無(wú)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(shí)的整機(jī)效率明顯低于采用能量注入和移相恒壓控制時(shí)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(shí)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。

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3 結(jié)論

    本文提出了一種無(wú)線電能傳輸?shù)淖畲笮屎銐嚎刂萍夹g(shù),，該技術(shù)通過(guò)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(shí)能保持最大效率和恒定的輸出電壓，并且無(wú)需添加額外的功率電路,。在理論分析的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了磁感應(yīng)無(wú)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(gè)負(fù)載可控范圍,，超出范圍就會(huì)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

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