無線電能傳輸技術及在智能設備中的應用——評《磁共振無線充電應用技術》

朱爾果

(上海外國語大學賢達經(jīng)濟人文學院,上海 200083)

近年來,電動汽車、電動無人機等設備逐漸普及,增大了人們對于儲能設備無線充電的需求,相關充電方式的研究越來越深入。沈錦飛編著的《磁共振無線充電應用技術》一書聚焦于儲能設備的無線充電技術研究,首先,簡要介紹儲能設備的無線充電技術及應用;其次,給出電磁共振式無線充電系統(tǒng)的組成、工作原理、相關補償電路等內(nèi)容;然后,介紹電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)相關知識,包括儲能設備的分類、充電控制方法等,并列舉幾種常見的無線充電控制系統(tǒng),對原理、功能進行詳細剖析;最后,詳述單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)、三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的設計方法、電路組成及工作原理,并給出具體示例。

1 無線充電技術

無線充電是指電能在負載和電源之間不經(jīng)過電氣直接接觸而發(fā)生能量傳輸?shù)募夹g。無線充電可避免儲能設備因接觸而導致的磨損,減少設備線纜的束縛。目前,無線充電方式主要有兩種:①電磁感應式,傳輸距離較短、耦合系數(shù)較低,使用范圍受限;②電磁共振式,根據(jù)頻率共振原理實現(xiàn)無線充電,輻射小、傳輸距離遠、傳輸效率高,應用范圍較廣。一些電動客車、電動公交車中配備的超級電容器,利用無線充電技術,可根據(jù)站與站之間的距離設置儲能的容量,在車輛進站?？繒r,進行快速無線充電。對于電動引導車,可利用超級電容器儲能設備質量輕的優(yōu)勢,實現(xiàn)頻繁無線充電,減輕車輛的整體質量,提高性能并降低成本。對水下設備進行無線充電,能使設備金屬接頭免受腐蝕,提高設備的靈活性,擴大工作區(qū)域,提高供電效率。此外,無線充電還廣泛應用在手機、電視等家用電器上,均取得了不錯的應用效果。

2 儲能設備無線充電系統(tǒng)

電磁共振式無線充電系統(tǒng)主要由發(fā)射側/接收側電能變換電路、補償電路和發(fā)射接收線圈等組成,通過電磁共振實現(xiàn)無線充電。發(fā)射側電能變換電路通常由電壓/電流逆變器等構成,可將直流電轉換為高頻交流電;接收側電能變換電路可實現(xiàn)整流、濾波、斬波等功能,將高頻交流電轉換為直流電,滿足儲能設備充電的需求。該系統(tǒng)的主要功能是將輸入的交流電經(jīng)過處理,利用無線傳輸電路將電能輸送到儲能設備。在整個能量傳輸過程中,要根據(jù)設備的特性實現(xiàn)充電控制。通常來說,儲能設備包括超級電容器、鉛酸電池、鋰離子電池等,為了精確控制電壓電流,要為無線充電系統(tǒng)設置相應的控制策略。如為了維持電壓電流的穩(wěn)定,可設置電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng),通過電壓電流的濾波調(diào)節(jié)及能量的變換,輸出目標參數(shù)。在電磁共振式無線充電系統(tǒng)中,發(fā)射線圈、接收線圈、發(fā)射側/接收側補償電路共同組成磁耦合諧振器。磁耦合諧振器包括發(fā)射側諧振回路和接收側諧振回路,實際上是一個耦合系統(tǒng)。影響該系統(tǒng)傳輸特性的因素有:①距離,當傳輸距離不斷增加時,系統(tǒng)的頻率分裂現(xiàn)象會逐漸消失,傳輸效率和儲能接收效率逐漸降低,可通過提升諧振頻率等方法彌補這一不足;②傳輸頻率,當系統(tǒng)的傳輸頻率和磁耦合諧振器的諧振頻率相同時,達到共振狀態(tài),此時能量的傳輸效率最高,因此,應保證兩種頻率盡量接近;③效率,通常情況下,增大線圈互感、減小線圈內(nèi)阻、提高諧振器共振頻率等,都是提高系統(tǒng)傳輸效率的有效方法,但共振頻率不宜過高,否則會導致線圈內(nèi)阻增大,影響系統(tǒng)傳輸性能。

電磁共振式無線充電實際上是使兩個不同傳輸線圈的諧振頻率保持相同,以進行能量傳輸,因此傳輸線圈的設計尤為重要。要根據(jù)使用場景的不同,選擇合適的傳輸線圈類型:當傳輸距離較遠時,盡量選擇圓柱形螺旋線圈;若想要傳輸線圈的體積更小,傳輸磁場能量更大,可選擇矩形平面螺旋線圈;可在傳輸線圈正面添加環(huán)氧板保護層,減少電磁場向外擴散的幅度,提高線圈的磁通耦合度;為減小電磁輻射對人體的危害,可在線圈外部增加鋁制防護罩,屏蔽磁場。在充電過程中,有很多電能消耗在線圈的阻抗上,為了提高電能傳輸效率,應設法減小線圈的阻抗。通常采用增加補償電路的方式,即在原有傳輸線圈電感(L)的基礎上,增加補償電容(C),形成串聯(lián)或并聯(lián)補償電路。常見的補償電路形式有串-串聯(lián)諧振電路、串-并聯(lián)諧振電路、并-并聯(lián)諧振電路、并-串聯(lián)諧振電路、LCL-LCL諧振電路、LCC-LCC諧振電路等。在各種補償電路中,補償電容均在諧振狀態(tài)工作,主要功能是實現(xiàn)瞬時增壓。在實際應用中,應根據(jù)所需的電壓、容量及熱穩(wěn)定性、耐高溫高壓等特性,來選擇補償電容。

3 無線充電控制系統(tǒng)

3.1 電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)

實際上,電磁共振式無線充電系統(tǒng)充電是對儲能設備的充電。要選擇合適的電流,電流過大或過小都會對充電效率產(chǎn)生影響。儲能設備的充電方法很多,包括但不限于恒壓、恒流、脈沖和分階段充電等,但總體而言,控制方式可分為電壓控制和電流控制兩種。該書給出了幾種常用的電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)。電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)由輸出電壓或電流、調(diào)節(jié)器、諧振器和變換濾波電路等組成,目的是維持電壓電流的穩(wěn)定,為正常充電創(chuàng)造有利條件。該系統(tǒng)以放大器、驅動電路、逆變器、諧振器、濾波整流電路、采樣電路、信號傳輸和處理電路、儲能設備等為基礎,建立電壓負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng),通過恒壓控制方式給儲能設備充電。充電時,還需進行電流控制,以電流放大器、驅動電路、逆變器、諧振器、整流電路、電流采樣電路和信號傳輸電路等為基礎,建立電流負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)可控制儲能設備充電時的電壓和電流,但未綜合考慮逆變電流的突變引起的充電系統(tǒng)故障。在電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上,該書提出了增加逆變電流閉環(huán)電路,組成逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),將控制逆變電流在極限值以內(nèi),降低因逆變電流引起的充電故障概率。

在逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中,輸出的電壓和電流以無線通信方式進行反饋。電壓、電流的反饋延時越大,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間越長,會導致充電過程存在不穩(wěn)定性,影響儲能設備的充電效率。為解決此問題,該書提出以逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)為基礎,將接收端的充電電壓和電流分開單獨控制,建立兩個互不干擾的閉環(huán)控制系統(tǒng),即傳輸和輸出電壓雙獨立單閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由放大器、驅動電路、逆變器、諧振器、采樣電路、信號傳輸和處理電路、高頻整流器、斬波電路和儲能設備等組成,可提高充電回路中電壓和電流的精度,最終提升儲能設備的充電效率。

3.2 單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)

通常情況下,當用電設備的總容量在10 kW以下時,可以利用220 V低壓單相交流電作為輸入來供電。輸入的交流電流中通常伴隨著諧波電流,使電網(wǎng)電流受到干擾,繼而影響電網(wǎng)電壓,生成電磁干擾。為降低諧波電流的影響,該書提出在傳統(tǒng)的單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的基礎上,增加功率因數(shù)校正電路(PFC),并利用二極管+增強(Boost)-脈沖寬度調(diào)制(PWM)斬波控制的方式,控制輸入電流的波形。該斬波控制電磁共振式無線充電系統(tǒng)由PFC、諧振回路、斬波電路和整流電路等組成,將輸入的220 V交流電經(jīng)過整流、校正、電容濾波,變?yōu)橹绷麟?再通過斬波電路、全橋逆變電路處理,形成高頻方波電壓,利用電能發(fā)送、接收諧振回路,通過高頻整流濾波電路處理后輸出直流電,接入儲能設備進行充電。在整個過程中,直流電壓利用PWM脈寬調(diào)制方式進行控制,當PWM的脈寬處于零位置時,諧振回路的儲能會經(jīng)逆變電路轉至直流側。

3.3 三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)

在日常生產(chǎn)生活中,當用電設備的容量在10 kW以上時,必須接入三相交流電來供電。由于使用場合的不同,基于三相交流電的電磁共振無線充電系統(tǒng)的組成和功能也有所差別。該書給出了幾種典型的三相交流電無線充電系統(tǒng)。如三相輸入全橋逆變無線充電系統(tǒng),以3個單相220 V交流電作為輸入,經(jīng)過整流和校正后,變?yōu)?80 V直流電,再通過全橋逆變電路及高頻變壓器,形成三路并聯(lián)輸入、一路串聯(lián)輸出,經(jīng)過電能發(fā)送、接收諧振回路,通過高頻整流濾波電路處理后,輸出直流電,接入儲能設備進行充電。在儲能設備充電過程中,采樣電路對電壓電流執(zhí)行比例-積分-微分(PID)運算,并將PID控制信號發(fā)送至發(fā)射側通信電路,經(jīng)由數(shù)字信號(DSP)處理控制電路和移相PWM控制電路處理,得到輸出信號,再利用全橋驅動電路實現(xiàn)儲能設備充電的閉環(huán)控制?；谝陨侠碚?該書給出了具體的系統(tǒng)設計示例。設置3個單相交流電(180～264 V/50 Hz),系統(tǒng)的額定充電功率、電壓、電流分別為21 kW、350 V、60 A,額定工作效率＞90%,負載為儲能電池。經(jīng)過計算可知,所用線圈的電感為0.343 mH,補償電容大小為10.2 nF,整流二極管能承受的最大電壓和電流至少為600 V、60 A。除了三相輸入全橋逆變無線充電系統(tǒng)外,該書還將無源濾波器、有源濾波器加入三相無線充電系統(tǒng)中,利用濾波器對輸入電壓和電流進行處理,并轉換為相應的直流電壓,再經(jīng)過高頻濾波、整流等一系列步驟,實現(xiàn)儲能設備的充電。

4 結語

《磁共振無線充電應用技術》一書理論聯(lián)系實際,介紹了儲能設備的無線充電技術,詳述了電磁共振式無線充電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的組成、電路原理及功能,給出了儲能設備的分類和充電控制方法,對單相供電、三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的設計方法、電路組成及工作原理進行了詳細闡述,并列舉了實際案例加以驗證。該書內(nèi)容通俗易懂,邏輯清晰,可供從事儲能設備無線充電、電能傳輸?shù)目蒲腥藛T及高校師生參考。

書名:磁共振無線充電應用技術

作者:沈錦飛 編著

ISBN:9787111640554

出版社:機械工業(yè)出版社

出版時間:2020-01-01

定價:￥79.00元