動態(tài)無線電能傳輸恒功率控制研究

聶彬彬

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越多電子用品在日常生活中占據(jù)著重要地位，例如：手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等等。此類設(shè)備的普及也伴隨著攜帶、充電及安全等相關(guān)問題，已越來越引起人們的關(guān)注與討論。其中較為明顯可見的是：傳統(tǒng)的輸電方式難以滿足人們的需求。切斷電子設(shè)備“最后一根線”——電力線，已成為一項重要的研究項目，眾多國家和科研組織已開始將研究方向轉(zhuǎn)向無線電能傳輸領(lǐng)域。我國的無線電能傳輸技術(shù)雖然起步較晚，但是進(jìn)展較快[1]。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）是一種基于電磁學(xué)和無線電波理論的新興技術(shù)，作為電氣和無線電學(xué)科的綜合應(yīng)用，其依靠電磁效應(yīng)與能量交換作用，實現(xiàn)了電能在電源和負(fù)載之間的無接觸式的能量傳輸。由于無線電能傳輸技術(shù)使得電源和負(fù)載不再直接相連，而是處于一種電氣隔離狀態(tài)，所以其具備安全、靈活、可靠等突出特點。同時，傳輸過程可實現(xiàn)由小功率至大功率，由近距離至遠(yuǎn)距離等不同需求、不同場合的能量傳輸[2]。該項技術(shù)在近期未來必然是一個重要的發(fā)展方向。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸

2.1 傳輸方式及特點分析

目前，最為常見的無線電能傳輸方式主要分為三類：磁感應(yīng)式無線電能傳輸（Magnetic Induction Wireless Power Transfer,MI-WPT）、微波式無線電能傳輸（Microwave Wireless Power Transfer,MWPT）、磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）。不同類型的傳輸方式可適用于不同場合、不同性能所需的能量供應(yīng)要求[3]。

相較于其他傳輸方式，磁耦合諧振式無線電能傳輸可以在幾厘米到幾米的傳輸范圍內(nèi)無線供電，同時在傳輸過程中，不會受到中間障礙物的影響，傳輸功率等級為幾十瓦或者數(shù)百瓦，在中等距離傳輸中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。磁耦合諧振無線充電技術(shù)仍然存在一定的不足，比如：磁耦合諧振系統(tǒng)頻率缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、傳輸功率相對較小等等，有待未來的技術(shù)發(fā)展加以解決。

磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)墓ぷ髟砣鐖D1所示?；隈詈夏Ｐ屠碚摚l(fā)射線圈與接收線圈在相同頻率下的多次諧振作用會使得線圈周圍空間聚集大量的能量，同時，接收線圈在所形成的非輻射磁場中能夠接收能量，通過此過程將磁場能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)電能傳輸[4]。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸原理

2.2 系統(tǒng)基本構(gòu)成

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。其主要由如下三個部分組成[5]：初級側(cè)能量轉(zhuǎn)換單元（發(fā)射端）、能量傳輸單元（諧振單元）、次級側(cè)能量接受單元（接收端）。

圖2 MCR-WPT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

傳輸系統(tǒng)由電網(wǎng)進(jìn)行供電。首先經(jīng)過初級側(cè)的整流濾波環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；利用直流斬波環(huán)節(jié)，對輸入電路中的電壓大小進(jìn)行處理；隨后，經(jīng)高頻逆變電路將電流轉(zhuǎn)換成諧振頻率下的交流電，從而在發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生交變的磁場；在耦合諧振部分，由諧振作用產(chǎn)生出的電壓，經(jīng)接收線圈，進(jìn)入整流濾波環(huán)節(jié)，最終得到可以供給負(fù)載使用的電能，實現(xiàn)完整的電能傳輸過程[6]。在這過程中，可利用直流斬波電路對系統(tǒng)傳輸功率的大小進(jìn)行調(diào)整。這一完整的過程可以概括為：電能在原邊由電生磁，經(jīng)過諧振電路到達(dá)副邊，再由磁生電，完成電能的無線傳輸[7]。

2.3 等效電路模型分析

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型分為以下四類組合結(jié)構(gòu)：串串型（SS）結(jié)構(gòu)、串并型（SP）結(jié)構(gòu)、并串型（PS）結(jié)構(gòu)、并并型（PP）結(jié)構(gòu)，其等效模型如圖3 所示[8]。

圖3 兩線圈電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效模型

將四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，按照其性能展開分析。若以達(dá)到在諧振狀態(tài)時系統(tǒng)的最小無功功率為目標(biāo)，SP 型、PS 型和PP 型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇發(fā)射端回路補(bǔ)償電容時，既要考慮線圈的耦合系數(shù)，又要考慮接收端實際負(fù)載電阻等多種電路參數(shù)的影響；SS 型MCR-WPT 系統(tǒng)，其發(fā)射端諧振電路補(bǔ)償電容僅受系統(tǒng)發(fā)射端回路參數(shù)影響，而與耦合系數(shù)和接收端實際負(fù)載電阻大小無關(guān)，可以保證在耦合系數(shù)和接收端負(fù)載變化時，電能在無線電能傳輸過程仍然保證最小的無功分量[9]。

3 恒功率控制系統(tǒng)設(shè)計

恒功率控制系統(tǒng)的主要模塊包括：直流電源、高頻逆變電路、發(fā)射和接收耦合電路、整流電路、功率控制反饋部分。為初步確立一套完整可靠的基礎(chǔ)設(shè)計方案，在此主要從發(fā)射端逆變電路、接收端電路及功率檢測平衡電路入手，討論設(shè)計需要考慮的重點問題。

3.1 發(fā)射端逆變電路設(shè)計

MCR-WPT 系統(tǒng)中，流入諧振線圈的高頻交流信號是由逆變電路產(chǎn)生的。直流電源經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換，成為諧振頻率下的交流信號。在初級側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)中，交變電場會產(chǎn)生磁場[10]?？紤]到此類機(jī)理的特點，在設(shè)計中，逆變電路采用全橋式逆變電路的形式，其電路設(shè)計圖如圖4 所示。

圖4 發(fā)射端逆變電路設(shè)計圖

該系統(tǒng)工作頻率較高，而IGBT 的工作頻率上限低于MOSFET，因而選擇N 溝道的硅基MOSFET。MOS 管的內(nèi)部電容、柵極電荷、導(dǎo)通損耗及開關(guān)損耗均較低，能夠勝任更快、更高效的開關(guān)操作，使MCR-WPT 系統(tǒng)達(dá)到高效率傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.2 接收端電路設(shè)計

接收端整流電路采用單相橋式整流電路的形式。設(shè)計采用電容濾波方法構(gòu)造單相橋式不可控整流電路，電路原理如圖5?？梢?，四個二極管兩兩交替導(dǎo)通，流經(jīng)每個二極管的平均電流變?yōu)榛芈冯娏鞯囊话?；在二極管兩端各并聯(lián)一個電阻后，二極管的等效阻值降低，其兩端電壓雖然沒有發(fā)生變化，但由于并聯(lián)電阻分流作用的存在，流經(jīng)二極管的電流減小了，由此起到保護(hù)二極管的作用。

圖5 接收端整流濾波電路

3.3 功率檢測平衡電路設(shè)計

對功率檢測平衡電路的設(shè)計采用功率閉環(huán)控制方案。將功率值設(shè)定為100W。在運(yùn)行過程中，由于電阻突變效應(yīng)的存在，電阻器件的實際值將迅速偏離設(shè)定值。在電阻發(fā)生突變的場合下，為了使系統(tǒng)功率繼續(xù)保持恒定，可在此將設(shè)定值減去實際值得到功率的誤差值，然后令此電壓誤差值經(jīng)過電壓環(huán)PI計算，得出開關(guān)周期，計算出開關(guān)頻率，經(jīng)過壓控振蕩器VCO 后得到對應(yīng)的正弦波，將得到的波形與初始值比較后變換為相同頻率的PWM 波，對開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動，最終實現(xiàn)閉環(huán)控制。這整個過程是一個功率檢測反饋的過程，其設(shè)計方案如圖6 所示。

圖6 功率檢測反饋系統(tǒng)設(shè)計方案

4 結(jié) 束 語

無線電能傳輸是一門頗具潛力的新技術(shù)，磁耦合諧振式無線電能傳輸方式是其中較為有代表性的一種，以此為重點，簡要介紹整體技術(shù)構(gòu)成和傳輸模型，并從發(fā)射端逆變電路設(shè)計、接收端電路設(shè)計、功率檢測平衡電路設(shè)計等多個方面對恒功率控制系統(tǒng)設(shè)計做了重點研究。除了輸出功率以外，傳輸效率也是無線電能傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)，在實際研究中，應(yīng)綜合考慮整個系統(tǒng)的傳輸功率和效率，以實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制。