一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優化算法

馬曉紅　朱玉錦　李慧聰　丁學田

摘 要：為了提高交流電源供電下充電信息能量傳輸效率，設計了一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優化算法。建立了一個LC串聯電路的具體模型，并利用傅里葉變換的方法來實現將線性系統的時域穩態特征轉變成頻域模型，構建了頻域模型對物理過程對能量傳輸效率的各項影響因素進行分析。仿真分析得到：發生共振時電壓源將會形成頻率分叉的情況但電流源模式不會受到影響，經實際測試可知處于共振與電壓源模式下都會發生頻率分叉，得到跟模型預測相同的結果，驗證了該算法的可行性。該方法對提高多供電模式下電控制系統的傳輸頻率起到一定的理論支撐作用。

關鍵詞： 二維全向; 無線充電; 能量傳輸; 供電模式

中圖分類號： TN 014

文獻標志碼： A

Abstract： In order to improve the efficiency of charging information and energy transmission under AC power supply， a transmission control strategy and energy transmission frequency optimization algorithm for multi-supply mode is designed. A concrete model of LC series circuit is established， and the time-domain steady-state characteristic of linear system is transformed into a frequency-domain model by means of Fourier transformation. Simulation analysis showswhen resonance occurs， the voltage source will form frequency bifurcation， but the current source mode will not be affected. The actual test shows that frequency bifurcation will occur in both resonant and voltage source modes， and the result is the same as that predicted by the model， which verifies the feasibility of this algorithm. This method plays a theoretically supporting role in improving the transmission frequency of the power control system under the multi-supply mode.

Key words： two-dimensional omnidirectional; wireless charging;energy transfer; power supply mode

0 引言

具有兩相供電結構的二維全向無線充電技術需要綜合運用多種信息與物理處理方法;具體包括對電能實施輸送、轉換與吸收，將二個正交發送線圈與頻率一致而相位差為90°的交流電源相連[1-3]，從而使含有二個發送線圈形成沿軸線分布的磁場，之后可以通過電磁感應方式接收能量;對上述物理信息進行采集并計算再根據得到的完成相應的控制，實現物理狀態的改變，利用這種方式可以實現離散與連續計算的目標，將其表示為兩相供電2DOWC-CPS[4-7]。

韓國技術研究院設計得到由4個正交發送線圈構成的系統，該系統可以通過兩相電流源來形成旋轉磁場并完成二維全向輸電[8-10];同時，哈爾濱工業大學通過二個正交發送線圈并結合兩相電流源的方法來形成旋轉磁場，從而達到二維全向輸電的目標[11-13];此外，香港大學構建了由二個正交發送線圈組成的系統，依次通過幅度調制兩相與單相電流源的方式來完成二維全向輸電的目標[14-15]。但以上方法基本都是從物理特征變化的層面來實現二維全向無線充電，無法充分考慮所有計算內容以及優化物理過程的能量傳輸方式[16-17]。

為了提高交流電源供電下充電信息能量傳輸效率，設計了一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優化算法，該方法對提高多供電模式下電控制系統的傳輸頻率控制能夠發揮理論參考的功能。

1 供電2DOWC-CPS的形式

針對兩相供電2DOWC-CPS構建仿真模型，設計相應的物理層結構、算法并選擇合適的AD/DA模型。同時不考慮計算過程的具體通信方式影響，也不考慮DA/AD接口的具體形式[18-20]。

對于一個兩相供電2DOWC-CPS結構來說，由三個共振角頻率為ω0的線圈組成，各線圈呈現正交分布狀態，可以看到由LC串聯電路組成的模型，如圖1所示。

接收線圈3以及發送線圈1/2對應的耦合系數分別是k23與k13;ω是電源角頻率，Rs1、Rs2代表電源的串聯內阻，Rs3為負載電阻;C1、C2、C3分別對應各線圈外接電容，同時采用R1、R2、R3表示線圈內阻;I1、I4、I3為接收線圈3與發送線圈1/2對應的有效電流參數;U1、U2為發送線圈1/2對應的電源電壓，將收線圈3對應的負載電壓表示成U3。

2 兩相供電2DOWC-CPS優化

可以利用傅里葉變換的方法來實現將線性系統的時域穩態特征轉變成頻域模型;為進一步簡化變換過程，本研究專門建立頻域模型來分析對能量傳輸效率造成影響的相關因素。