基于母線電流與效率跟蹤的無線電能傳輸控制方法

錢 強,鄭 義,陳 茗,招子鍵

(北京師范大學(xué)珠海分校，廣東 珠海 519087)

0 引 言

無線充電相比于有線充電來說，避免了電源電線過于頻繁的使用和導(dǎo)體露出所帶來的一系列的問題，沒有了充電系統(tǒng)設(shè)備摩擦損耗，減少了觸電的危險，提高了耐用性、安全性和電能傳輸?shù)姆奖阈?。最突出的一點是無線充電電能傳輸不受周圍環(huán)境因素的影響與制約，這便使得無線充電設(shè)備比有線充電設(shè)備更靈活、更可靠以及使用壽命更加長久。正因如此，無線充電擁有著有線充電無法比擬的優(yōu)點，這讓無線充電技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用占有優(yōu)勢。無線充電越來越受到來自不同領(lǐng)域的關(guān)注，有關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用在全國各地各類工科院校、科學(xué)研究院和各大高科技智能電子企業(yè)等已普遍著手研究與開發(fā)，無線電傳輸技術(shù)在加快地發(fā)展，并且部分研究成果已經(jīng)開始投入使用。

目前無線充電技術(shù)難點集中在：

(1)無線充電的電磁屏蔽問題。文獻(xiàn)[1]比較了國際上的電磁輻射暴露限值導(dǎo)則和國內(nèi)相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)，綜述了目前主要的磁共振式無線電能傳輸技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電磁場研究中參考的人體解剖模型、電磁場分布的數(shù)值計算和仿真方法。文獻(xiàn)[2]研究了3 kW諧振式電動汽車無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射，仿真結(jié)果表明車載接收裝置沒有必要再額外增加屏蔽層，外側(cè)水平屏蔽方式適用于汽車充電，沒有討論屏蔽設(shè)施對充電效率的影響。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一套帶有屏蔽的電動汽車無線充電能量耦合機構(gòu)，有限元計算和實驗結(jié)果驗證了該方法的可行性，增加了汽車底盤的設(shè)計難度和系統(tǒng)諧振控制復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]研究了諧振式無線電能傳輸在自由空間下的電磁場分布，并以電動汽車無線充電系統(tǒng)為例，通過仿真計算了系統(tǒng)對人體各個器官的影響。文獻(xiàn)[5]研究了金屬薄板在磁場耦合WPT中的最佳磁場屏蔽方法，對磁場分布和電學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測，實現(xiàn)了考慮系統(tǒng)效率、傳輸功率、傳輸距離和系統(tǒng)尺寸的最佳磁場屏蔽方法。文獻(xiàn)[6]提出了一套新的高頻低諧波電流的線圈設(shè)計公式, 并為大功率無線傳輸系統(tǒng)的低漏磁場設(shè)計了新的方法，對一千瓦級高爾夫球車WPT系統(tǒng)進(jìn)行了磁場屏蔽的磁耦合線圈的優(yōu)化。實際測量結(jié)果證明了該線圈設(shè)計公式和WPT系統(tǒng)的高頻和低磁場泄漏的方法的有效性。

(2)無線充電的標(biāo)準(zhǔn)化。2016年3月，國際自動機工程師學(xué)會(SAE International)發(fā)布了混插式以及全電動汽車無線充電技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE TIRJ2954，這是電動汽車無線充電方面的第一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定85 kHz是輕型汽車充電系統(tǒng)常用的頻段，四個等級的無線能量傳輸水平(3.7 kW、7.7 kW及未來使用的兩個等級)。

(3)無線充電裝置間異物檢測問題。金屬異物混入系統(tǒng)中，渦流效應(yīng)會產(chǎn)生渦流損耗導(dǎo)致金屬體溫度升高，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。文獻(xiàn)[7]使用3D有限元電磁場仿真軟件Comsol針對金屬異物對無線能量傳輸系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真分析，利用發(fā)射線圈的Q值變化來判斷是否存在金屬異物，不足在于系統(tǒng)需要增加一套電感檢測裝置。文獻(xiàn)[8]研究了金屬障礙物的設(shè)置對系統(tǒng)附近磁場的影響，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容，可以使系統(tǒng)輸出功率大致恢復(fù)到無障礙物時的水平。

(4)無線充電效率跟蹤控制。文獻(xiàn)[9]提出了一種單側(cè)功-頻在線控制策略，利用初級側(cè)輸入電壓相量和輸入電流相量的關(guān)系對負(fù)載性質(zhì)和大小進(jìn)行辨識，調(diào)節(jié)輸入電壓頻率和幅值以保持系統(tǒng)在新的諧振頻率點下傳輸功率一致，仿真和實驗結(jié)果表明,所提出的控制策略能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)諧振頻率的跟蹤和傳輸功率的恒定。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用粒子群優(yōu)化策略PSO，通過迭代求解粒子適應(yīng)度函數(shù)，獲得全局最優(yōu)解，實現(xiàn)系統(tǒng)最大效率跟蹤控制，不足在于適應(yīng)度函數(shù)的選擇比較困難。文獻(xiàn)[11]給出了發(fā)射側(cè)逆變電路中開關(guān)管的移相角、接收側(cè)Buck-Boost電路中占空比以及系統(tǒng)能量傳輸效率三者之間的關(guān)系，提出了一種基于仿人智能控制的發(fā)射側(cè)移相控制策略,通過變步長方式尋獲系統(tǒng)輸入功率最小點、系統(tǒng)工作于最優(yōu)效率點，沒有考慮器件諧振參數(shù)變化的問題。

本文設(shè)計了一套3kW無線充電系統(tǒng)，在確定電路結(jié)構(gòu)、諧振補償方式的基礎(chǔ)上，針對目前無線充電效率跟蹤控制方法的不足，基于聯(lián)合仿真技術(shù)，利用軟件Ansys Maxwell、Simplorer建模分析了提出的新控制策略，即通過檢測發(fā)射側(cè)整流后母線電流，判斷系統(tǒng)DC-DC效率來調(diào)整逆變器的PWM占空比與開關(guān)頻率。文中常規(guī)傳輸距離為10 cm，并以異常20 cm遠(yuǎn)距離非正常輸電情況下檢驗控制策略能否實現(xiàn)安全保護(hù)。

1 無線充電控制方案

1.1 主電路

考慮到本設(shè)計為大功率無線充電裝置，在三種無線充電方式中選擇對人體無害、傳輸距離適中的諧振無線充電方式。以現(xiàn)有技術(shù)而言，一般可以實現(xiàn)1 m左右的室內(nèi)電能傳輸距離。

圖1 無線充電過程示意圖

進(jìn)行無線充電，一般需要以下步驟：

(1)需要將交流市電轉(zhuǎn)化為所需的平穩(wěn)的直流電；

(2)需要使得發(fā)射部分和接收部分工作頻率一致，使其進(jìn)行無線能量傳輸，產(chǎn)生諧振；

(3)接收部分收到的是交流電，無法直接給電器進(jìn)行充電，需要經(jīng)過整流、調(diào)壓等環(huán)節(jié)。根據(jù)以上的三點分析，將無線充電裝置分為發(fā)射側(cè)、諧振網(wǎng)絡(luò)、接收側(cè)。

1.1.1發(fā)射側(cè)

在發(fā)射側(cè)接入的電流為交流電，因此需要整流，整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，嚴(yán)格地講是單方向大脈動直流電，經(jīng)過整流后的電壓(電流)仍然是有波動的直流電，通常要加濾波器減少波動，濾波電路的作用是平滑直流電。逆變電路采用橋式結(jié)構(gòu)，采用4個高速MOS管。

1.1.2諧振網(wǎng)絡(luò)

諧振網(wǎng)絡(luò)，直接用發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行電能的傳輸，會使得能量傳輸效率低下，為使兩側(cè)更易發(fā)生諧振，通常采用電容對發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行無功功率補償。

補償電路分為串聯(lián)補償電路與并聯(lián)補償電路。串聯(lián)補償電路：在線路中串聯(lián)電容器，改變其阻抗特性，增強能量傳輸效率。串聯(lián)補償電容器直接控制輸電線路。同時提供了無功補償。并聯(lián)補償電路：并聯(lián)電容器或電抗器，可以在線路中產(chǎn)生或吸收無功功率，從而提供無功功率，可以很好的控制電壓，但對系統(tǒng)的縱向潮流控制能力較弱。

常見諧振網(wǎng)絡(luò)有這幾種結(jié)構(gòu)：串串S-S、串并S-P、并并P-P和并串P-S，以及多重諧振LCL-LCL。從最佳傳輸距離和效率的角度來看 , 串串S-S結(jié)構(gòu)和串并S-P結(jié)構(gòu)性能較好。通過電路補償后，降低了電壓電流應(yīng)力，提高功率傳輸能力及效率，減小系統(tǒng)對變參數(shù)的敏感性。本文設(shè)計采用串串S-S結(jié)構(gòu)。發(fā)射側(cè)線圈自感Lp，接收側(cè)線圈自感Ls，線圈盤互感M，發(fā)射側(cè)諧振補償電容Cp，接收側(cè)諧振補償電容Cs，系統(tǒng)開關(guān)頻率為ω0，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓U1，與輸出電壓U2間相位角差為θ，負(fù)載電阻RL。

諧振頻率為

耦合系數(shù)為

輸出電流為

輸出電壓為

系統(tǒng)傳輸功率為

從式(3)～式(4)可看出，SS諧振網(wǎng)絡(luò)輸出電流、電壓與線圈盤互感M成反比，而互感又與間距成反比，故輸出電流、電壓與間距成正比。當(dāng)線圈盤間距極大時，輸出電流電壓可能會無限大，就必須對其進(jìn)行控制。

1.1.3接收側(cè)

對于接收側(cè)，通過諧振網(wǎng)絡(luò)接收來自發(fā)射側(cè)的諧振信號，高頻交流電再通過快恢復(fù)二極管的整流，成為直流電。

1.2 控制方案

控制部分是此系統(tǒng)重要的組成部分，需要協(xié)調(diào)各模塊工作，以達(dá)到最大傳輸效率，讓系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。其中，發(fā)射側(cè)控制部分需要采集發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的母線電壓電流，計算得到DC-DC效率，輸入到PWM模塊，控制逆變電路開關(guān)管，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的效率跟蹤控制。

1.2.1控制算法流程

圖2 控制流程圖

1.2.2PWM模塊

無線充電裝置的發(fā)射端逆變電路的四個MOS管需要4路PWM驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)PWM波形的占空比和頻率，就能得到合適驅(qū)動波形。上電后，輸出100 kHz占空比為0.1的PWM波，每過一個特定的時間(5 ms)，占空比增加一個步長(0.01)，同時不斷的采樣發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的母線電流電壓，等發(fā)射側(cè)母線電流到達(dá)最大值或逆變橋占空比達(dá)到0.5時，保持當(dāng)前占空比，繼而進(jìn)入調(diào)整頻率階段，每過一個特定時間(5 ms)，頻率增加一個步長(0.1 Hz)，此時比較發(fā)送裝置和接收裝置的能量傳輸DC-DC效率，如果效率增加，頻率就適當(dāng)增加，如果效率減少，頻率就適當(dāng)減少。

1.2.3采樣模塊

發(fā)射側(cè)控制器的保護(hù)和控制需要采集4路電氣信號：發(fā)射側(cè)整流母線電壓、發(fā)射側(cè)整流母線電流、發(fā)射側(cè)諧振線圈電壓、發(fā)射側(cè)諧振線圈電流；接收側(cè)控制器采集4路電氣信號：接收側(cè)整流母線電壓、接收側(cè)整流母線電流、接收側(cè)諧振線圈電壓、接收側(cè)諧振線圈電流。

2 瞬態(tài)電磁場有限元建模

2.1 線圈盤的Maxwell瞬態(tài)電磁場建模

通過反復(fù)比較傳輸功率和裝置體積，確定采用的發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤尺寸相同，外徑20 cm，內(nèi)徑6 cm，厚度1 cm，繞線匝數(shù)為25匝，材料為copper，沒有放置鐵氧體屏蔽體。如圖3所示?？紤]兩線圈盤間的距離為10～20 cm，利用Maxwell3D有限元仿真得到，線圈盤自感為160 uH，互感為10～40 uH，即耦合率為6%～25%。

圖3 線圈盤Maxwell電磁場模型

2.2 基于Simplorer的控制算法建模

如圖4所示，采用E1直流電380 V接入全橋式逆變電路(忽略發(fā)射側(cè)整流電路)，4個MOSFET管MOS1～4采用移相控制，其驅(qū)動信號G1～4由前文控制方案得到。采用串串S-S諧振補償電路，Cp、Cs是諧振補償電容16 nF，Rp、Rs是發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤繞組的電阻1.3 Ω。整流后接入負(fù)載電阻30 Ω。仿真時間500 ms，仿真步長10 ns。

3 聯(lián)合仿真分析

發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤常規(guī)相距10 cm，PWM固定占空比為0.5，開關(guān)頻率固定為100 kHz時，如圖5(a)～圖5(c)所示，基本穩(wěn)定后發(fā)射側(cè)直流母線電壓380 VDC，電流13.1 A，輸入功率4994.6 W。接收側(cè)負(fù)載RL直流電壓344.9VDC，電流11.5 A，輸出功率3965.4 W，即無線充電DC-DC的效率是79.4%。

發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤相距10 cm，采用本文控制方法時，占空比從0.1自動調(diào)整到0.5，之后開關(guān)頻率自動調(diào)整，如圖6(a)～圖6(e)所示，基本穩(wěn)定后開關(guān)頻率是97.8 kHz，發(fā)射側(cè)整流后母線電壓380VDC，電流13.9 A，輸入功率5281.6 W。接收側(cè)電阻負(fù)載電壓365.5 VDC，電流12.2 A，輸出功率4453.2 W，即無線充電的DC-DC效率是84.3%，效率提高4.9%。

圖4 無線充電系統(tǒng)模型

圖5 10 cm距離無控制時的無線充電仿真波形

圖6 10 cm距離本文控制方法時的無線充電仿真波形

在某些突發(fā)情況下，如果發(fā)射側(cè)和接收測距離發(fā)生變化，互感降低，線圈電流將隨之升高，在極限情況時，當(dāng)副邊消失時，原邊電流將增到無窮大。假設(shè)發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤相距20 cm。若PWM占空比仍固定為0.5，開關(guān)頻率仍固定為100 kHz時，如圖7(a)～圖7(c)所示，穩(wěn)定后發(fā)射側(cè)母線電壓380 VDC，電流113 A，輸入功率43210.2 W。接收側(cè)負(fù)載電壓747.5 VDC，電流24.9 A，輸出功率18625.3 W。顯然，傳輸功率和線圈電流過大將導(dǎo)致元器件燒毀，即沒有進(jìn)行控制約束的無線充電失敗。

圖7 20 cm距離無控制時的無線充電仿真波形

當(dāng)發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤相距20 cm，采用本文控制方法時，占空比會從0.1自動調(diào)整到0.37，即移相23.4°，之后開關(guān)頻率自動調(diào)整，如圖8(a)～圖8(e)所示，穩(wěn)定后開關(guān)頻率是105 kHz，發(fā)射側(cè)母線電壓380 VDC，電流27.9 A，輸入功率10635.6 W。接收側(cè)負(fù)載電壓164.2 VDC，電流5.5 A，輸出功率898.6 W，無線充電的效率是8.4%。雖然隨發(fā)射側(cè)和接收側(cè)線圈盤間距離增加而效率明顯降低，采用本文控制方法后，發(fā)射端電流得到很好的控制，可以安全實現(xiàn)無線充電過程。

圖8 20 cm距離本文控制方法時的無線充電仿真波形

4 結(jié) 語

本文分析了無線充電的電路結(jié)構(gòu)、諧振補償、控制算法等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一套3 kW無線充電系統(tǒng)，利用Maxwell軟件建立線圈盤模型，利用Simplorer建立無線充電的控制回路，并進(jìn)行聯(lián)合仿真分析了距離常規(guī)10 cm、異常20 cm的傳輸性能。結(jié)果表明電流得到有效控制，系統(tǒng)輸出實現(xiàn)閉環(huán)控制。另外數(shù)據(jù)表明，接收側(cè)電壓在165～365 V變化，因此在負(fù)載處可增加Buck-Boost升降壓電路，來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。本文提出的效率跟蹤控制方法可應(yīng)用在無線充電的家用電器和電動汽車等領(lǐng)域。