自適應(yīng)頻率跟蹤無線充電最大效率傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究

廖仕利 張玲珺 王鏡生 魏洪亞 胡力中 唐旭

摘?要：為提高無線充電系統(tǒng)不同設(shè)備間的匹配效果，實(shí)現(xiàn)每個(gè)設(shè)備均以最大效率、最大功率充電，采用利用PP諧振，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)頻率跟蹤、三線圈并聯(lián)發(fā)射、雙線圈并聯(lián)均流接收以及四象限高效率buck-boost等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備匹配自適應(yīng)最佳頻率同時(shí)快速無線充電，已獲得3項(xiàng)發(fā)明專利、3項(xiàng)實(shí)用新型專利。

關(guān)鍵詞：無線充電;效率;動(dòng)態(tài)頻率跟蹤技術(shù);并聯(lián)發(fā)射

中圖分類號：TP393?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

無線充電技術(shù)就目前發(fā)展形勢來看，其主要應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在電子產(chǎn)品充電和新能源充電汽車兩個(gè)方面，但由于無線充電技術(shù)的巨大發(fā)展?jié)撃芗皟?yōu)勢，未來，該技術(shù)必定會(huì)應(yīng)用到自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備，以及軍事應(yīng)用等各個(gè)方面。目前人們主要提出了四種無線電能傳輸原理，分別為、電磁感應(yīng)、磁耦合諧振、無線電波電能傳輸以及無線超聲波功率傳輸。電磁感應(yīng)式由于原理簡單且容易制作在市面上最為普及，但由于其傳輸距離嚴(yán)重受限而導(dǎo)致推廣停滯不前[1-3]。

這種技術(shù)是非常安全的，并且接收器的價(jià)格也很便宜，體積也小，除了無線充電，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。只不過，其最終的產(chǎn)品無法在價(jià)格、功率、速度和安全等方面達(dá)到預(yù)期。為克服這些缺點(diǎn)，在磁耦合諧振原理的基礎(chǔ)上利用DC-AC裝置、PWM波整流裝置和自動(dòng)升降壓裝置共同完成雙向無線充電功能。雙向充電模式，使得裝置既能作為發(fā)射端，也可以作為接收端，使系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行自動(dòng)升降壓，進(jìn)而完成雙向無線充電功能。同時(shí)本裝置可以適應(yīng)不同的機(jī)型，兼容性強(qiáng)，解決了充電設(shè)備與充電用戶只能一一對應(yīng)的單一化問題，還能一并解決由線路引發(fā)的安全問題和電力資源浪費(fèi)問題，大大的提高了無線充電裝置的充電效率，突破了現(xiàn)有無線充電產(chǎn)品效率和功率不能很好的兼顧從而導(dǎo)致充電速率低的局限。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

輸出端運(yùn)用同步整流技術(shù)，接收端再通過頻率跟蹤技術(shù)反饋到發(fā)射端，使其達(dá)到最大效率，本項(xiàng)目最終到達(dá)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有市場同類型產(chǎn)品。

雙向非接觸式充電系統(tǒng)核心部分包括DC-AC，PP諧振，PWM整流電路以及自動(dòng)升降壓等裝置。DC-AC裝置將直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成交流電，PP諧振實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸，自動(dòng)適應(yīng)裝置自適應(yīng)負(fù)載。

在功率達(dá)到快充的標(biāo)準(zhǔn)上，增加了快充識別芯片，能識別高通QC 3.0/2.0、華為以及其他幾類廠商的快充協(xié)議，并使用最大效率動(dòng)態(tài)自適應(yīng)頻率算法調(diào)整輸入輸出諧振頻率以達(dá)到最大效率點(diǎn)。

2 核心三線圈發(fā)射主電路設(shè)計(jì)

三線圈并聯(lián)發(fā)射部分是發(fā)射端中至關(guān)重要部分，電路圖如圖2三線圈并聯(lián)發(fā)射電路圖所示，在此電路中，通過默認(rèn)可控電源輸出供電，并通過控制電路輸出的控制信號共同完成最大效率頻率跟蹤。在LC諧振元件參數(shù)選擇中，通過詳細(xì)公式計(jì)算輔以大量實(shí)驗(yàn)，最后選取到至今為止效率最高功率最大的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于與公司簽訂合同原件參數(shù)不宜標(biāo)出，所以重要元件參數(shù)已刪去。

在LC參數(shù)整定中，尤為關(guān)鍵因素為：在電感不同耦合狀態(tài)下，電感值均會(huì)發(fā)生變化。因此給本實(shí)驗(yàn)帶來很大困擾，尤其是變量中兩線全平行距離的問題，即在不同輸入電壓等級下會(huì)有不同的最適距離。因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種最大效率跟蹤算法，使之在不同位置以及不同充電條件下實(shí)時(shí)跟蹤最大效率點(diǎn)。

在該電路中，為減少M(fèi)OSFET發(fā)熱以至于引起不安全因素，所以使用電壓關(guān)斷型的緩沖電路來轉(zhuǎn)移MOSFET部分發(fā)熱。并且為避免輸入信號浮空時(shí)MOSFET直通，所以為MOSFET設(shè)置下拉電阻。

3 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 算法設(shè)計(jì)

通過大量實(shí)驗(yàn)，去測試不同電量不同頻率工作下的效率，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)電量水平，不同的諧振頻率會(huì)導(dǎo)致不同的充電效率和充電功率。在同一個(gè)諧振頻率時(shí)，不同電量水平下也會(huì)有不同的充電效率和充電功率。實(shí)際工作中，最佳的諧振點(diǎn)會(huì)隨著電量的改變而不斷變化，從而導(dǎo)致充電全過程中只有很小的一段時(shí)間以最大效率、最佳功率充電。因此，欲達(dá)到實(shí)時(shí)最大效率的結(jié)果，需實(shí)時(shí)調(diào)整諧振頻率。設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)跟蹤最大效率的諧振頻率算法，用來保持充電效率時(shí)刻在最大值。在多次測量之中得到大量數(shù)據(jù)。

最佳效率跟蹤依靠調(diào)節(jié)發(fā)射端的工作頻率來實(shí)現(xiàn)。設(shè)諧振頻率f1=200KHz，復(fù)雜（如手機(jī)充電設(shè)備）接入開始充電后，系統(tǒng)工作電流I1變化會(huì)引起頻率偏離諧振點(diǎn)（由于阻抗的改變，并且I1變化會(huì)持續(xù)影響阻抗的變化）。頻率偏離諧振點(diǎn)越遠(yuǎn)，傳輸?shù)碾娔芫驮叫?。控制電流在最小的情況下，改變諧振頻率，從而達(dá)到最大效率。在改變系統(tǒng)工作頻率的過程中，系統(tǒng)的占空比保持50%不變，只有當(dāng)工作頻率達(dá)到上限時(shí)，才會(huì)通過減小占空比來減少能量的傳輸。

3.2 程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，通過采集機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)采集發(fā)射端輸入電壓與電流值，通過藍(lán)牙與接收端通信，獲取接收端輸出電壓與電流值，下位機(jī)有處理器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定輸出電壓和電流值，發(fā)射端通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變諧振頻率，通過比較器得到發(fā)射端輸入電流偏差值，在電流值達(dá)到最小時(shí)，則達(dá)到了當(dāng)前諧振最佳頻率點(diǎn)，此時(shí)的系統(tǒng)的互感與阻抗匹配效果最好，效率達(dá)到最大。

4 測試及結(jié)果

目前無線充電普遍用的協(xié)議是QI標(biāo)準(zhǔn)，QI標(biāo)準(zhǔn)的充電最大電流僅為1A，輸出功率僅為5W，同時(shí)效率也不如有線的快充QC3.0標(biāo)準(zhǔn)?；赒C3.0的有線快速充電的效率可達(dá)90%左右，因此在某種程度上也解釋了無線充電技術(shù)遲遲沒有得到大規(guī)模推廣的原因。經(jīng)過測試，本設(shè)計(jì)在突破QI標(biāo)準(zhǔn)的局限下使得充電效率可以達(dá)到90%以上，輸出功率可達(dá)27W，實(shí)現(xiàn)了匹配QC3.0標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在前輩研究的基礎(chǔ)上，利用DC-AC，PP諧振，最佳頻率跟蹤技術(shù)以及四象限自動(dòng)升降壓等裝置設(shè)計(jì)了雙向非接觸式充電系統(tǒng)，采用了三線圈并聯(lián)發(fā)射、雙線圈并聯(lián)接受方式，大大提高了充電效率低、改善了發(fā)熱嚴(yán)重等問題，并且以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)，建立了云端充電管理系統(tǒng)，使充電效率、數(shù)據(jù)線、充電用戶數(shù)量等資源浪費(fèi)問題得到很大的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]耿宇宇，楊中平，林飛，等.基于多接收耦合線圈模式的無線電能傳輸系統(tǒng)特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（S2）.

[2]溫艷，邵毅.多耦合線圈自動(dòng)切換技術(shù)的無線電能傳輸系統(tǒng)[J].電源學(xué)報(bào)，2014（03）.

[3]周宇翔，陳希有，李冠林，等.利用單端口阻抗測量值和靈敏度分析的耦合線圈參數(shù)辨識[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（18）.

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（2019CX117）;重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)面上項(xiàng)目（cstc2019jscx-msxmX0003）

作者簡介：廖仕利（1970—），男，四川仁壽人，碩士，副教授，主要從事控制科學(xué)與工程領(lǐng)域、無線充電領(lǐng)域研究。