無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的功率控制策略研究

摘 要：在傳統(tǒng)充電方式的弊端日益突出的今天，無(wú)線充電開(kāi)始登上歷史的舞臺(tái)，而基于無(wú)線充電方式的核心是對(duì)負(fù)載端的控制策略。本文將研究無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程，基于磁耦合諧振的雙LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用雙閉環(huán)策略，提出一種高效、靈活的負(fù)載功率控制的思路，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的恒壓和恒流供電，而恒流恒壓無(wú)線充電能滿足手機(jī)、電動(dòng)汽車和電腦等移動(dòng)設(shè)備的要求，提高其充電的效率和電池使用壽命，特別是符合電動(dòng)汽車這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電;恒流恒壓;磁耦合諧振;雙閉環(huán)

一、選題背景和意義

近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的內(nèi)置電池的移動(dòng)電器開(kāi)始出現(xiàn)，例如電動(dòng)汽車、筆記本電腦、手機(jī)等，無(wú)線功率傳輸（WPT）已經(jīng)成為一項(xiàng)很有發(fā)展前景的技術(shù)現(xiàn)代應(yīng)用包括電子設(shè)備和電動(dòng)汽車，應(yīng)用范圍從消費(fèi)電子產(chǎn)品和植入式醫(yī)療設(shè)備等低功率場(chǎng)景到電動(dòng)汽車和鐵路運(yùn)輸?shù)雀吖β蕡?chǎng)景。無(wú)線輸電在現(xiàn)代社會(huì)中越發(fā)重要，因而它被美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)選為未來(lái)十大科研方向之一。無(wú)線電能傳輸技術(shù)相比傳統(tǒng)電能傳輸方式有很多優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)線輸電使人們可以擺脫電線，在充電時(shí)不需要拔插設(shè)備，降低了機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了充電器的使用壽命。另外，無(wú)線輸電更加靈活方便，只要將待充電的電器放到制定位置便可自動(dòng)充電，可以大大簡(jiǎn)化手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車的充電流程，優(yōu)化用戶的體驗(yàn)，所以一些全球知名手機(jī)廠商，例如華為公司和蘋(píng)果公司已經(jīng)研制出支持無(wú)線充電的移動(dòng)手機(jī)設(shè)備。最后，無(wú)線電能傳輸技術(shù)成熟后，可以支持多電器同時(shí)充電，省時(shí)省力。

二、實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)比和選取

為了滿足不同類型電池充電的需求，需要進(jìn)行恒流充電（CC）和恒壓充電（CV），恒流充電可以實(shí)現(xiàn)快速充電但是容易造成過(guò)充，而恒壓充電又容易欠充，基于此，包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的多種設(shè)備需要恒流恒壓充電，即先恒流快速充電，等到電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，再恒壓充電。對(duì)于固定負(fù)載來(lái)說(shuō)，恒壓和恒流充電不難實(shí)現(xiàn)，但是由于電池在充電過(guò)程中被視為可變負(fù)載，因此這給CC和CV控制增加了難度。

目前有幾種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）對(duì)具有恒流輸出的補(bǔ)償拓?fù)浜途哂泻銐狠敵龅难a(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓控制，即混合補(bǔ)償法，這種方法控制簡(jiǎn)單但是穩(wěn)定性非常不好;

（2）利用諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同工作頻率的不同特性進(jìn)行恒流和恒壓控制，這種方法穩(wěn)定性不好而且控制難度大，控制精度難以保證;

（3）現(xiàn)如今效果較好且應(yīng)用較多的是基于無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的反饋，有一種方法是將負(fù)載的電壓和電流反饋給發(fā)射端逆變電路，改變橋臂上MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位值，但是其控制精度差;另一種方法是在發(fā)射端建立DC/DC電路，DC/DC電路本身有穩(wěn)波濾壓的作用，而且通過(guò)閉環(huán)控制其開(kāi)關(guān)開(kāi)閉時(shí)間從而改變DC/DC電路的輸出電壓和電流，但是這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過(guò)大。

以上幾種負(fù)載功率端的效果在一些場(chǎng)合都不太理想，因此急需提出一種制作成本更低、操作難度低且精度和控制效果符合要求的負(fù)載端控制方式。這有助于智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)和無(wú)線輸電技術(shù)的發(fā)展以及電動(dòng)汽車的推廣等一系列領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)討論，本文計(jì)劃利用能量利用效率更高的無(wú)橋PFC并在接收端設(shè)置DC/DC電路，并通過(guò)雙閉環(huán)將負(fù)載信息反饋到DC/DC電路，調(diào)節(jié)DC/DC電路中功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)控制負(fù)載的電壓和電流。在接收端設(shè)置DC/DC電路控制更加簡(jiǎn)單方便。

三、Simulink仿真

基于磁耦合諧振的雙LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為恒流輸出，所以可以將其等效為恒流源。

電源電流為幅值為10A的正弦交流電，當(dāng)調(diào)整輸出電壓為300V時(shí)，結(jié)果最終穩(wěn)定在300V。

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作者簡(jiǎn)介：

張國(guó)威（1998-），男，漢族，河北邢臺(tái)人，東南大學(xué)本科在讀，電氣工程及其自動(dòng)化方向。