無線電能傳輸系統的功率控制策略研究

摘 要：在傳統充電方式的弊端日益突出的今天，無線充電開始登上歷史的舞臺，而基于無線充電方式的核心是對負載端的控制策略。本文將研究無線電能傳輸的過程，基于磁耦合諧振的雙LCC補償拓撲結構，利用雙閉環策略，提出一種高效、靈活的負載功率控制的思路，可以實現負載的恒壓和恒流供電，而恒流恒壓無線充電能滿足手機、電動汽車和電腦等移動設備的要求，提高其充電的效率和電池使用壽命，特別是符合電動汽車這一新興產業的發展趨勢。

關鍵詞：無線充電;恒流恒壓;磁耦合諧振;雙閉環

一、選題背景和意義

近年來，隨著越來越多的內置電池的移動電器開始出現，例如電動汽車、筆記本電腦、手機等，無線功率傳輸（WPT）已經成為一項很有發展前景的技術現代應用包括電子設備和電動汽車，應用范圍從消費電子產品和植入式醫療設備等低功率場景到電動汽車和鐵路運輸等高功率場景。無線輸電在現代社會中越發重要，因而它被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。無線電能傳輸技術相比傳統電能傳輸方式有很多優勢。首先，無線輸電使人們可以擺脫電線，在充電時不需要拔插設備，降低了機械磨損，延長了充電器的使用壽命。另外，無線輸電更加靈活方便，只要將待充電的電器放到制定位置便可自動充電，可以大大簡化手機、筆記本電腦和電動汽車的充電流程，優化用戶的體驗，所以一些全球知名手機廠商，例如華為公司和蘋果公司已經研制出支持無線充電的移動手機設備。最后，無線電能傳輸技術成熟后，可以支持多電器同時充電，省時省力。

二、實現方案的對比和選取

為了滿足不同類型電池充電的需求，需要進行恒流充電（CC）和恒壓充電（CV），恒流充電可以實現快速充電但是容易造成過充，而恒壓充電又容易欠充，基于此，包括電動汽車在內的多種設備需要恒流恒壓充電，即先恒流快速充電，等到電池電壓達到一定值時，再恒壓充電。對于固定負載來說，恒壓和恒流充電不難實現，但是由于電池在充電過程中被視為可變負載，因此這給CC和CV控制增加了難度。

目前有幾種實現方式：

（1）對具有恒流輸出的補償拓撲和具有恒壓輸出的補償拓撲結構進行切換來實現恒流和恒壓控制，即混合補償法，這種方法控制簡單但是穩定性非常不好;

（2）利用諧振補償拓撲結構在不同工作頻率的不同特性進行恒流和恒壓控制，這種方法穩定性不好而且控制難度大，控制精度難以保證;

（3）現如今效果較好且應用較多的是基于無線通信技術實現負載的反饋，有一種方法是將負載的電壓和電流反饋給發射端逆變電路，改變橋臂上MOS管的驅動信號相位值，但是其控制精度差;另一種方法是在發射端建立DC/DC電路，DC/DC電路本身有穩波濾壓的作用，而且通過閉環控制其開關開閉時間從而改變DC/DC電路的輸出電壓和電流，但是這種方法結構復雜，成本過大。

以上幾種負載功率端的效果在一些場合都不太理想，因此急需提出一種制作成本更低、操作難度低且精度和控制效果符合要求的負載端控制方式。這有助于智能電網的實現和無線輸電技術的發展以及電動汽車的推廣等一系列領域。

經過討論，本文計劃利用能量利用效率更高的無橋PFC并在接收端設置DC/DC電路，并通過雙閉環將負載信息反饋到DC/DC電路，調節DC/DC電路中功率驅動信號的占空比來控制負載的電壓和電流。在接收端設置DC/DC電路控制更加簡單方便。

三、Simulink仿真

基于磁耦合諧振的雙LCC補償拓撲結構為恒流輸出，所以可以將其等效為恒流源。

電源電流為幅值為10A的正弦交流電，當調整輸出電壓為300V時，結果最終穩定在300V。

參考文獻：

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[2]譚林林， 潘書磊， 顏長鑫， et al. 一種恒流-恒壓無線充電系統及其充電方法.

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作者簡介：

張國威（1998-），男，漢族，河北邢臺人，東南大學本科在讀，電氣工程及其自動化方向。