基于補(bǔ)償拓?fù)淝袚Q的MCR-WPT最大效率追蹤方法

常雨芳, 李 飛, 唐 楊, 薛旭池, 閻 晟, 尹帥帥

(湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 武漢 430068)

近年來,關(guān)于MCR-WPT技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段,并取得了一些階段性的成果[1],廣泛應(yīng)用到手機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸車(automated guided vehicle,AGV)與電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[2-5].黃沛等[6]針對S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻抗失配問題提出了基于遺傳算法(genetic algorithm,GA)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和DC-DC占空比調(diào)節(jié)相結(jié)合的系統(tǒng)阻抗匹配方法,使系統(tǒng)傳輸效率得到了提升;劉媛媛等[7]提出了一種基于實(shí)時(shí)耦合系數(shù)估算的系統(tǒng)最大效率跟蹤策略,通過改變Buck-Boost電路的占空比來改變耦合系數(shù)以實(shí)現(xiàn)最大效率追蹤;吳曉偉等[8]使用改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法針對無線電能傳輸效率進(jìn)行優(yōu)化,引入混沌局部搜索與懲罰因子的概念,實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)諧振補(bǔ)償電容值,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高頻阻抗匹配;DAI等[9]提出了考慮二值問題的耦合系數(shù)辨識WPT系統(tǒng)最大功率轉(zhuǎn)移跟蹤方法,擴(kuò)寬了系統(tǒng)傳輸效率與傳輸功率的追蹤范圍;趙越等[10]采用改進(jìn)遺傳算法對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);周念成等[11]提出了基于SS型磁耦合諧振無線電能傳輸頻帶序列劃分方法,但是該方法波動(dòng)較大;趙靖英等[12]研究了LCL型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法;張靜等[13]分析了磁耦合諧振串并式無線充電裝置可靠性.通過對已有文獻(xiàn)的分析可以看出,在無線電能傳輸領(lǐng)域,如何提升寬負(fù)載變化范圍內(nèi)的MCR-WPT系統(tǒng)傳輸效率仍然是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一.

本文在分析MCR-WPT系統(tǒng)兩種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種基于補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換的最大效率追蹤方法,將MCR-WPT系統(tǒng)分為輕載與重載兩種工作模式,并根據(jù)有源阻抗匹配原理,使用Buck-Boost電路自適應(yīng)地對系統(tǒng)最大效率點(diǎn)進(jìn)行追蹤.仿真及對比分析證明,該最大效率追蹤方法能夠有效提升系統(tǒng)無線傳輸效率.

1 MCR-WPT系統(tǒng)建模分析

本文采用等效電路模型的方法對兩線圈S-S型、S-P型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行分析.S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示,S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1b所示.

圖1 S-S與S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 S-S and S-P compensation topologies

兩系統(tǒng)的工作角頻率為ω=2πf,其中系統(tǒng)的工作頻率f參考2016年美國汽車工程協(xié)會(huì)發(fā)布的SAE TIR J2954無線充電標(biāo)準(zhǔn)[14],其典型諧振頻率為85 kHz.

利用基爾霍夫定律列出S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振電路模型的回路方程為

(1)

接收回路的反射阻抗為

(2)

輸入回路的等效阻抗為

(3)

針對系統(tǒng)傳輸效率ηSS對負(fù)載電阻RL求偏導(dǎo),求得MCR-WPT系統(tǒng)傳輸效率最大時(shí)對應(yīng)的最佳負(fù)載阻抗RMax為

(4)

當(dāng)傳輸系統(tǒng)諧振時(shí)有

(5)

由于dηSP/dRL>0始終成立,因此,S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸效率曲線為單調(diào)遞增,即負(fù)載值越大,其傳輸效率越高.

通過MATLAB軟件分別繪出兩種不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)負(fù)載RL與傳輸效率η的關(guān)系曲線圖,如圖2所示.

圖2 兩種不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的負(fù)載與效率關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between load and efficiency of two different compensation topologies

由圖2可知:S-S型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在負(fù)載較小的情況下傳輸效率要優(yōu)于S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且系統(tǒng)存在著唯一效率最大值點(diǎn),此時(shí)所對應(yīng)的負(fù)載阻抗值為RMax.但是隨著負(fù)載值的增大,S-P型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸效率逐漸增大,并最終優(yōu)于S-S型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且系統(tǒng)傳輸效率與負(fù)載阻抗值的大小呈正相關(guān)性.兩種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸效率曲線在工作頻率與互感相同的條件下會(huì)有一個(gè)交點(diǎn),此時(shí)對應(yīng)的負(fù)載阻抗值為RL-Pi.令ηSS=ηSP,可得

(6)

以RL-Pi為判定條件,提出一種新的最大效率追蹤方法.當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)載較小(負(fù)載阻抗RL

圖3 最大效率追蹤流程圖Fig.3 Flow chart of maximum efficiency tracking

2 系統(tǒng)最大效率點(diǎn)追蹤

2.1 S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的最大效率點(diǎn)跟蹤

當(dāng)負(fù)載阻抗RL

本文所采用的有源Buck-Boost阻抗匹配方法原理圖如圖4所示.

圖4 Buck-Boost阻抗匹配原理圖Fig.4 Schematic principle of Buck-Boost impedance matching

圖4中,R′L為接收端線圈等效輸出阻抗;RLeq為Buck-Boost等效負(fù)載阻抗.當(dāng)負(fù)載阻抗RL發(fā)生變化時(shí),可以通過改變MOSFET開關(guān)管Q1的占空比d來調(diào)節(jié)Buck-Boost等效負(fù)載阻抗RLeq,其關(guān)系表達(dá)式為

(7)

接收線圈等效輸出阻抗R′L與Buck-Boost的等效負(fù)載阻抗RLeq關(guān)系表達(dá)式為

(8)

在負(fù)載阻抗RL變化的情況下,可以通過改變MOSFET開關(guān)管Q1的占空比d來調(diào)節(jié)接收線圈等效輸出阻抗R′L的值,以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.

當(dāng)阻抗匹配時(shí),系統(tǒng)傳輸效率可以取得唯一最優(yōu)值,進(jìn)而求解基于最優(yōu)傳輸效率的最優(yōu)占空比Dopt-η,以實(shí)現(xiàn)S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下最大效率點(diǎn)跟蹤.

2.2 S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的最大效率點(diǎn)跟蹤

當(dāng)MCR-WPT系統(tǒng)負(fù)載阻抗持續(xù)增大時(shí),若系統(tǒng)仍工作在S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,系統(tǒng)傳輸效率將降低,因此需對線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換,使其工作模式由輕載模式轉(zhuǎn)為重載模式,系統(tǒng)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換示意圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換示意圖Fig.5 Schematic diagram of system compensation topology switching

當(dāng)負(fù)載阻抗大于等效阻抗時(shí),閉合K1、K2、K3,令MOSFET開關(guān)管Q1的占空比d=0,從而使MCR-WPT系統(tǒng)切換至S-P型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)工作在重載工作模式.此工作模式下的系統(tǒng)傳輸效率與負(fù)載阻抗值的大小呈正相關(guān)性,因此,當(dāng)負(fù)載阻抗值逐漸增大時(shí),應(yīng)及時(shí)切換補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為S-P型,以實(shí)現(xiàn)大負(fù)載場合下的最大效率點(diǎn)跟蹤.

3 仿真分析

為了驗(yàn)證最大效率點(diǎn)追蹤的可行性,本文在MATLAB中對所提的MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析.

模型中發(fā)射線圈側(cè)由直流電源、高頻逆變電路與串聯(lián)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組成;接收線圈由S-S型、S-P型可切換補(bǔ)償拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),不控全橋整流電路,Buck-Boost電路與可調(diào)負(fù)載構(gòu)成.通過采集負(fù)載端的阻抗變化實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下的系統(tǒng)最大效率點(diǎn)跟蹤.接收端的可調(diào)負(fù)載阻抗用幾個(gè)并聯(lián)電阻代替,以便于仿真分析,通過階躍信號控制MOSFET的關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的調(diào)節(jié).MATLAB仿真參數(shù)如表1所示.

表1 MATLAB電路設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 MATLAB circuit design parameters

3.1 S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大效率點(diǎn)跟蹤仿真

首先計(jì)算出S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率曲線交點(diǎn)RL-Pi約為65 Ω,如果負(fù)載阻抗RL

圖6 S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of S-S compensation topology

由圖6可以看出,0.1 s時(shí)負(fù)載阻抗由30 Ω變?yōu)?2 Ω,在使用有源阻抗匹配的Buck-Boost最大效率點(diǎn)追蹤電路時(shí),系統(tǒng)維持原有傳輸效率,約為84.5%;在無最大效率點(diǎn)追蹤的條件下,系統(tǒng)傳輸效率下降,由原先的84.5%降至70.5%,證明了小負(fù)載條件下基于有源阻抗匹配的Buck-Boost最大效率點(diǎn)追蹤的有效性.

3.2 S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大功率點(diǎn)跟蹤仿真

當(dāng)負(fù)載阻抗RL>RL-Pi,則閉合開關(guān),調(diào)節(jié)Buck-Boost中MOSFET占空比,此時(shí)系統(tǒng)工作在S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下.通過增大負(fù)載阻抗的值對系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行仿真,其仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of compensation topology

從圖7可以看出,0.1 s時(shí)負(fù)載阻抗由50 Ω變?yōu)?5 Ω,若系統(tǒng)仍保持在S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,系統(tǒng)效率從84.5%下降至83.6%;當(dāng)系統(tǒng)在0.1 s切換至S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),系統(tǒng)效率由84.5%提高至91.6%.仿真結(jié)果表明,在較大負(fù)載條件下S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸效率更高.

3.3 實(shí)際工況分析

根據(jù)實(shí)際仿真參數(shù)搭建了AGV無線充電小車作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺,具體仿真參數(shù)表1所示,AGV無線充電小車實(shí)物圖如圖8所示.使用可調(diào)電阻來模擬系統(tǒng)的輕載與重載工作狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 不同負(fù)載情況下的系統(tǒng)傳輸效率Tab.2 System transmission efficiency under different loads

圖8 AGV無線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺Fig.8 AGV wireless charging system experimental platform

由表2可知,系統(tǒng)在負(fù)載電阻變換的情況下可以自適應(yīng)地切換補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)工作模式,且傳輸效率比仿真結(jié)果(輕載模式下最大傳輸效率約為84.5%;重載模式下約為91.6%)略低,但總體趨勢相同,驗(yàn)證了理論與仿真的正確性.

4 結(jié) 論

針對MCR-WPT系統(tǒng)在大負(fù)載條件下S-S補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸效率低、小負(fù)載條件下S-P補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸效率低的問題,本文對兩補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并對切換點(diǎn)處的負(fù)載阻抗值公式進(jìn)行了推導(dǎo),依此負(fù)載阻抗值將系統(tǒng)分為輕載與重載兩種工作模式.通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在這兩種工作模式下,系統(tǒng)傳輸效率均得到了提升,證明了所提出的最大效率追蹤方法的有效性.