基于能量傳輸通道的IPT系統非法負載檢測技術

孫 躍 蔣 成 王智慧 戴 欣

（1.重慶大學自動化學院 重慶 400044 2.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

感應電能傳輸技術（Inductive Power Transfer），簡稱IPT技術，是一種通過電磁耦合以非接觸式方式向負載傳遞能量的一項新技術。感應耦合電能傳輸過程為：利用諧振變換器將直流電變換為高頻交流電，注入原邊能量發射線圈（或導軌線圈），根據法拉第電磁感應定律，該線圈在附近將激發出相同頻率的交變磁場，然后處于該磁場中的副邊能量接收線圈上將感應出電壓，該電壓經功率調節后輸出給用電設備，從而實現電能的無線傳輸。當系統有異物（尤其是金屬）進入工作范圍時，由于高頻磁場的存在必定會在金屬內形成渦流，不僅降低了效率，而且金屬的渦流發熱還將給系統帶來巨大的安全隱患。

在感應電能傳輸系統（IPT）系統中，現有的負載識別方法主要是通過RFID技術來實現[1,2]。該方法是在合法負載上添加 RFID標簽，當系統沒有檢測到RFID信號時逆變器停止工作，即IPT系統停止工作。然而，IPT系統在能量傳輸過程中存在的高頻磁場將會對 RFID反饋信號造成干擾，這就可能會導致系統的誤讀誤判，降低了負載識別的正確率。因此，本文提出了一種高識別率的非法負載檢測的方法，本方法是將負載識別信號調制到系統原邊輸入電流上，在原邊對識別信號解調后，實現了負載辨識。這種方法的主要優點在于，負載辨識信號不需要通過額外的耦合線圈傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中的干擾，提高了識別率。

2 電流型IPT系統拓撲

IPT系統拓撲根據原邊和副邊諧振方式的不同可以分為PP、PS、SP、SS型四種基本類型。本文以PS型拓撲結構為例，研究其非法負載檢測方法。PS型IPT系統的電路拓撲如圖1所示。

圖1 PS型IPT系統拓撲Fig.1 Parallel-series resonant topology of IPT system

PS型拓撲結構分為原邊和副邊兩大部分。在原邊部分，直流電源Edc與直流電感Ldc一起構成準電流源[3]。S1-S44個 IGBT開關構成全橋逆變網絡，所形成的2個開關對（S1，S4）和（S2，S3），以互補的形式產生方波逆變輸出。能量發射線圈 Lp和諧振電容 Cp構成的并聯諧振網絡具有短路保護可靠性高的特點。在副邊部分，能量拾取線圈Ls和諧振電容Cs構成接收諧振網絡，并經過整流和濾波后向負載RL供電。

3 非法負載識別

3.1 原邊輸入電流和負載的關系分析

在IPT系統中，副邊對原邊部分的耦合作用直接體現為副邊反射回原邊的反射阻抗，該反射阻抗直接作用于系統諧振網絡，導致系統諧振參數發生漂移[4]。因此，對反射阻抗的識別就顯得很重要。

反射阻抗Zr由無功部分jωLr和有功部分Rr組成：

其中，有功部分Rr上消耗的功率即為副邊在原邊部分中產生的耗散功率，而其無功部分jωLr產生能量的儲存或釋放，不產生能量的耗散[5,6]。

定義系統的供給函數S(Edc,Idc)為系統的輸入能量，可表示為[7]：

定義系統的耗散函數W(i,R)為系統的耗散能量，可表示為[7]：

由能量平衡關系可知，系統的輸入能量等于系統的耗散能量，即：

對于副邊串聯諧振拓撲，副邊阻抗為：

因此副邊反射回原邊的反射阻抗為：

其中，R1為整流濾波加負載RL的等效電阻，可以近似表示為：

聯立式（5）和式（6）可得反射阻抗Zr的實部為：

為使系統傳輸功率最大化，則系統應工作在副邊固有諧振頻率點上，即：

將式（9）帶入式（8），式（8）可寫成：

由于原邊電感的值一般為100uH到200uH，系統工作頻率一般為20K赫茲左右，且因為系統是松耦合系統，故耦合系數k一般為0.1到0.3之間，因此可得以下關系[8]：

由式（11）可知，當輸入電壓Edc保持不變時，則可認為諧振電流為一個定值，其大小：

聯立式（2）、（3）、（4）、（10）和（12），可得：

化簡式（13）可得:

由上式可知，Edc，Rdc，Rp，W0，M，Rs，Lp都為已知量，因此可得輸入電流Idc和負載RL的關系。

為了直觀表示輸入電流Idc和負載RL的關系，取表 1所示諧振網絡參數，得到原邊輸入電流Idc隨負載RL變化的曲線如圖2所示。

表1 PS諧振網絡參數表Tab.1 Parameters table of parallel-series resonant network

圖2 原邊輸入電流和負載的關系Fig.2 The relationship of the primary input current and load

3.2 非法負載的識別方法

基于幅值調制ASK的思想，提出一種IPT系統非法負載檢測方法。該方法原理圖如圖3所示。通過預設一個頻率為f1的方波信號調制在副邊負載上，控制負載也以頻率f1進行通斷，當系統初始化運行時，負載的通斷將會在原邊直流輸入電流上解調出一個接近于頻率為f1的方波，記該方波頻率為f2。當系統在初始工作狀態時，通過檢測原邊輸入電流的方波頻率，與預設信號的頻率進行對比，當原邊直流輸入電流的頻率檢測值與預設信號的頻率之差的絕對值小于或等于一個約為零的極小容限值時，則負載為合法負載，否則，即為非法負載。該方法的優點在于負載辨識信號不需要額外的耦合線圈進行傳遞，而是直接在能量傳輸通道上傳遞，將負載辨識信號反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中磁場的干擾，提高了識別率。

圖3 IPT系統非法負載檢測原理圖Fig.3 The schematic diagram of illegal load identifying of IPT system

系統非法負載識別的工作流程圖如圖4所示，其中ε為約為零的極小容限頻率值。

圖4 非法負載識別流程圖Fig.4 The flow diagram of illegal load identifying

4 仿真驗證

為了驗證識別模型的有效性，在Simulink環境中搭建了仿真模型進行驗證，負載RL取30Ω，系統其它參數如表1所示。仿真結果如圖5，圖6，圖7所示。

圖5 頻率為500Hz時的波形Fig.5 The waveform when a frequency of 500Hz

圖6 頻率為100Hz時的波形Fig.6 The waveform when a frequency of 100Hz

圖7 頻率為10Hz的波形Fig.7 The waveform when a frequency of 10Hz

由圖5，圖6，圖7的分析可知，當負載切換頻率過快（500Hz）時，由于電感中的電流不能突變，原邊輸入電流未呈方波波形；當切換頻率減小時，頻率為100Hz時，原邊輸入電流呈現方波波形，但在過零點處存在較大的震蕩，易造成檢測的誤差；當切換頻率為10Hz時，原邊輸入電流呈現和負載切換頻率一致的方波。因此，在實際應用中，應適當降低負載切換頻率，以提高頻率檢測的準確性。

5 結論

本文給出了一種新型的IPT系統非法負載檢測方法，通過分析電流型 IPT系統的特性，得到了原邊輸入電流和負載成反比的關系，從而通過對負載進行通斷調制和原邊輸入電流的解調判斷負載的合法性。本文所設計的方法不需要負載辨識信號通過額外的耦合線圈進行傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳統方法傳遞中的干擾問題，提高了識別率。該方法普遍適用于傳統的IPT拓撲，但需要滿足輸入電壓和諧振電流恒定的條件，仿真結果驗證了該方法的可行性，對提高IPT系統的安全性具有一定的價值。

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