諧振式無線充電照明調控系統(tǒng)功率優(yōu)化

雷鳴，賀養(yǎng)養(yǎng)，付永升，李健

(西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西西安710021)

諧振式無線充電照明調控系統(tǒng)功率優(yōu)化

雷鳴，賀養(yǎng)養(yǎng)，付永升，李健

(西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西西安710021)

目前，在照明系統(tǒng)中，每一個路燈都是固定和不可移動的，但是若能在廣場等大型區(qū)域配置可移動的路燈，既可以節(jié)省寶貴的電力資源，也能夠在很大程度上提高光源的使用效率，即在合適的地方動用更多的電力資源，反之亦然，實現(xiàn)城市照明的綠色節(jié)能。磁耦合諧振式無線充電技術具有高效率、安全性高以及中遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢，但是當智能路燈在移動過程中，接收線圈與發(fā)送線圈互感發(fā)生改變，從而導致功率下降。即負載僅能在一個比較狹小的范圍內保持最優(yōu)功率，這對于功率穩(wěn)定性要求高的設備來說具有比較大的影響。該文對影響負載功率的關鍵因素進行分析，擬采用DC/DC變換器改變負載反射值，達到匹配效果。即當線圈互感發(fā)生改變時，動態(tài)調整Buck變換器的占空比D，實現(xiàn)最優(yōu)功率負載匹配，使得系統(tǒng)負載接收功率能夠在較寬范圍內處于最佳狀態(tài)。

照明；智能調控；磁共振耦合；輸出功率；BUCK轉換器

Abstract：At present,in the lighting system,each street is fixed and immobile,but if the square and other large areas can be con?figured to move the street lights,both can save valuable power resources,but also to a large extent to improve the light source The use of efficiency,that is,in the right place to use more power resources,and vice versa,to achieve the green energy of urban lighting.Magnetic coupling resonant wireless charging technology has the advantages of high efficiency,high security and long distance transmission.However,when the intelligent street lamp is moving,the mutual inductance of the receiving coil and the sending coil changes,resulting in power drop.That is,the load can only be in a relatively narrow range to maintain the optimal power,which for high power stability requirements of the device has a relatively large impact.In this paper,the key factors that affect the load power are analyzed,and the DC/DC converter is used to change the load reflection value to achieve the match?ing effect.When the mutual inductance of the coil changes,the duty cycle D of the Buck converter is dynamically adjusted to achieve the optimal power load matching,so that the system load receiving power is in the best condition in a wide range.

Key words：lighting;intelligent control;nagnetic resonance coupled;output power;buckconverter

在城市的廣場照明中，路燈總是固定的某處處于固定不動的位置，隨著無線充電技術的普及和應用，為了更加合理的分配照明系統(tǒng)的電力資源，擬采用可移動的光源、地下固定可充電的線圈系統(tǒng)，這樣照明系統(tǒng)就可以離開電線的束縛，處于可隨時充電和照明的一個智能綠色節(jié)能系統(tǒng)。降低了對電能的消耗。設計思想如圖1所示。

磁耦合諧振式(Magnetic Resonance Coupling)簡稱MRC，無線電能傳輸系統(tǒng)(Wireless Power Transm-ission，WPT)通過電磁場，利用發(fā)射與接收線圈的磁耦合諧振實現(xiàn)電能的無線傳輸。具有高效率、安全性高以及中遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢。然而，利用磁共振耦合的無線傳輸在實際應用中存在一些問題。負載以及距離的變化將會影響電能傳輸功率，阻抗失配使得反射功率增加，負載功率變得不穩(wěn)定。這對于功率穩(wěn)定性要求高的設備，例如照明、電機驅動等是不利的。文獻[1]比較了共軛匹配和頻率跟蹤幾種方案的系統(tǒng)能量傳輸效率，結果顯示有效的自適應匹配可通過跟蹤共振頻率實現(xiàn)。文獻[2]中提出大功率無線傳輸系統(tǒng)中最佳諧振拓撲結構為串串諧振拓撲結構。文獻[3]在發(fā)射線圈前端增添阻抗匹配器，提高了MRC-WPT系統(tǒng)傳輸功率。文獻[4]在驗證其結論時，只在結構中列出了阻抗匹配器這一模塊，并沒有具體介紹其應用效果。在過去，阻抗匹配電路使用可變電容器和電感器實現(xiàn)。然而，這種方法在無線電能傳輸過程中，若負載急劇變換，匹配時間會較長。參考文獻[5]設計了一種含有自動阻抗匹配器的無線電能傳輸系統(tǒng)，并詳細分析了其工作原理以及優(yōu)化效果，但其在功率方面介紹較少。

圖1 智能綠色照明無線充電系統(tǒng)

圖2 電能傳輸系統(tǒng)

1 磁耦合諧振式無線充電基本原理

無線充電系統(tǒng)利用共振原理，在共振系統(tǒng)中有兩個或多個具有相同頻率的物體構成，系統(tǒng)中各物體間能量高效傳輸，而與系統(tǒng)之外物體基本無能量傳輸。在共振狀態(tài)，能量振動幅度最大。一般的兩線圈結構磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)如圖2所示，包括整流器、高頻逆變器、發(fā)射線圈、接收線圈、交流斬波電路、Buck變換器及負載。當發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生串聯(lián)諧振時，線圈回路等效阻抗最小，線圈中流過電流最大，此時的系統(tǒng)傳輸功率最大，傳輸效率最高[6]。

2 系統(tǒng)模型分析

2.1 串-串式拓撲結構模型及分析

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)生串并聯(lián)諧振形不同的組合類型有四種拓撲結構分別為：發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生串聯(lián)諧振拓撲(SS),同時發(fā)生并聯(lián)諧振拓撲(PP),發(fā)射線圈串聯(lián)諧振，接收線圈并聯(lián)諧振(SP),發(fā)射線圈并聯(lián)諧振，接收線圈串聯(lián)諧振(PS)[7]。

圖3 串串拓撲結構電路

圖3是經典的串串拓撲結構電路，C1、C2分別是原邊及副邊的電容，L1、L2分別是原邊及副邊的諧振補償電感，M是互感系數(shù)。RL是負載電阻。根據(jù)KVL定理可得[8]：

Z1、Z2分別是發(fā)射線圈和接收線圈的阻抗，此時系統(tǒng)輸入阻抗為：

在磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中正弦電壓源的工作頻率與發(fā)射和接收諧振回路的固有諧振頻率相等，即此電路工作在諧振狀態(tài)，此時R2，則系統(tǒng)的回路方程可表示為：

進一步求解發(fā)射線圈與接收線圈的電流為：

則系統(tǒng)的負載功率PL為：

由式(6)可見，負載接收功率與系統(tǒng)的諧振頻率ω，等效負載RL以及互感M都有一定關系，而在實際的工作系統(tǒng)中，線圈參數(shù)，工作頻率均已經確定，如若要通過頻率跟蹤使得系統(tǒng)工作在最優(yōu)輸出功率狀態(tài)，還需將接收端的參數(shù)發(fā)送到發(fā)送端，增加了調整時間和系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[9]。因此，本文從接收端出發(fā)去分析和調節(jié)系統(tǒng)的功率特性。為了簡化分析，另收發(fā)線圈R1=R2=R，對式(6)求導

得最優(yōu)功率負載

將最優(yōu)功率負載RLO代入式(6)得到最大功率Pmax為：

2.2 DC/DC轉換器

負載前端電壓、電流不穩(wěn)定，為使系統(tǒng)工作在最優(yōu)功率點，可利用直流-直流(DC/DC)轉換器，調整充電電流或電壓。如圖4所示為三種常用的DC-DC變換器，對輸入電阻的調節(jié)特性如表1所示，其中D、Vin、Vout分別是占空比、輸入電壓、輸出電壓。如表1[10]所示，Buck-Boost降壓-升壓變換器負載變換范圍雖然比較大，但是在大功率傳輸條件下，附加損耗比較大。Boost升壓轉換器只能使輸入電阻在0—RL內變換。而在實際系統(tǒng)中，負載端的電壓一般比較大，因此，本文擬采用Buck降壓電路，采用閉環(huán)控制方案調整降壓變換器的占空比，動態(tài)調節(jié)其輸入電阻，從而調節(jié)充電電流。

圖4 三種常見DC/DC變換器

表1 負載調節(jié)能力

3 仿真及分析

當智能路燈在移動過程中，接收線圈與發(fā)送線圈位置發(fā)生偏移，互感發(fā)生改變，系統(tǒng)功率發(fā)生改變，系統(tǒng)最優(yōu)輸出功率在負載電阻RL=RLO時取得。為使得負載接收功率處于穩(wěn)定且最優(yōu)狀態(tài)，負載電阻RL也必須隨著M的變化而改變。而在圖5中，給定負載值RL的大小(分別給定100Ω,50Ω,20Ω,10Ω)，均表明僅在很小的互感范圍內，系統(tǒng)保持在最優(yōu)輸出功率狀態(tài)。

圖5 M與PL的關系

綜上，對于一個確定的負載僅能在一個確定的互感下趨近最優(yōu)輸出功率，而在其他互感M下，負載獲得的功率都會低于最優(yōu)輸出功率。也就是說，在確定的磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，定值負載僅僅能夠在發(fā)送和接收線圈處于某個距離或位置時才能得到最優(yōu)負載功率。而在實際已經搭建好的系統(tǒng)平臺，工作頻率，線圈參數(shù)等基本已確定，這使得負載僅能在一個狹小的范圍內獲得充足且穩(wěn)定的功率，如果稍有偏離，功率就會下降。這對實際應用是不利的。尤其是對功率穩(wěn)定性要求的設備，例如照明、電機驅動等?？梢酝ㄟ^調節(jié)最優(yōu)功率負載RLO，使得系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)優(yōu)化設計

為保證系統(tǒng)負載在移動過程中穩(wěn)定在最大輸出功率值附近，在系統(tǒng)Buck變換器部分增加控制模塊，Buck電路是典型的降壓型DC-DC變換器，其反射阻抗可表示為：

由式(11)可知，當智能路燈位置移動導致M發(fā)生改變時，在負載兩端使用電壓電流傳感器，檢測負載功率，通過控制Buck電路中MOSFET的導通和關斷便可以對負載實現(xiàn)阻抗變換，使得系統(tǒng)取到最優(yōu)功率負載。調節(jié)關系仿真圖如圖6所示。對于控制程序，采用爬山算法循序遞進取尋找最優(yōu)功率點，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在最優(yōu)功率輸出狀態(tài)。系統(tǒng)的Buck電路調節(jié)原理部分如圖7所示，系統(tǒng)Buck轉換器控制程序流程圖如圖8所示。

結合式(10)和式(8)，得

圖6 占空比D與互感M的關系

圖7 Buck電路調節(jié)原理

5 實驗及實驗分析

實驗平臺如圖9所示，采用65KHz頻率的諧振式無線充電照明調控，系統(tǒng)發(fā)射線圈與接收線圈半徑為40cm,負載使用100 Ω定值電阻進行實驗。距離對互感的影響較大，因此本實驗改變線圈之間的距離，記錄下5個不同的距離下負載端的接收功率值，然后加入Buck降壓變換器，再次進行實驗得到5組負載接收功率值。如圖11所示，理論值如圖10所示。

圖8 軟件控制流程圖

圖9 實驗平臺

圖 10 PL與PL’理論數(shù)據(jù)

圖 11 PL與PL’實驗數(shù)據(jù)

PL為原始無線充電照明調控系統(tǒng)負載功率值，PL'為增加Buck降壓變換器之后系統(tǒng)負載功率變換值。由此可見，Buck降壓變換器可以使得使得系統(tǒng)能在較寬范圍內使得負載功率處于最優(yōu)狀態(tài)。

6 結論

首先對諧振式無線充電照明調控系統(tǒng)原理進行分析，得出系統(tǒng)實際工作時影響輸出功率的關鍵因素，推導出了系統(tǒng)功率最優(yōu)負載表達式。實際工作時智能路燈會隨著需要位置發(fā)生改變，導致互感產生變化，則最優(yōu)功率負載值也會隨之而變。因此采用Buck降壓變換器，改變RL大小，實現(xiàn)阻抗匹配。實驗數(shù)據(jù)表明，在交流斬波與負載之間增加Buck降壓變換器，使得系統(tǒng)能在較寬范圍內使得負載功率處于最優(yōu)狀態(tài)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。使得智能路燈在移動過程中，接收功率一直處于穩(wěn)定且最優(yōu)狀態(tài)。雖然Buck電路存在一定開關損耗，但可以忽略不計。

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Research on the Power Characteristic of Magnetic Resonance Based Wireless Power Transfer

LEI Ming,HE Yang-yang,FU Yong-sheng,LI Jian
(College of Electronic Information Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710021,China)

TM72

A

1009-3044(2017)24-0228-04

2017-07-10

陜西省教育廳產業(yè)化培育項目(08JC12)

雷鳴，男，碩士研究生，副教授，研究方向，智能控制與應用；賀養(yǎng)養(yǎng)，女，碩士研究生，研究方向為通信與信息系統(tǒng)，無線電能傳輸；付永升，男，碩士研究生，講師，研究方向為電力電子系統(tǒng)；李健，男，碩士研究生，檢測技術與自動化裝置，無線電能傳輸。