一種改進型諧振補償網絡的多電壓無線充電裝置*

黃向慧梁相印*代克杰

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710000；2.平頂山學院電氣與機械工程學院，河南平頂山 467000)

在煤礦生產中，存在大量的小功率用電設備，例如礦用隔爆型LED 照明信號燈、便攜式氣體檢測儀等[1]，這些設備在充電過程中插頭頻繁插拔容易產生接觸火花，導致礦井內瓦斯爆炸。為了使礦用設備能安全可靠的充電，將無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術應用在這個領域[2]，這項技術不僅可以消除火花，而且能擺脫線纜束縛遠距離輸送電能。然而礦井中便攜式設備充電電壓規格不同，現有的無線充電裝置僅能為某一種電壓等級用電設備充電，嚴重制約了無線充電技術在煤礦領域的應用，所以研究一種無線充電裝置為多種電壓等級用電設備充電具有重要意義。

無線電能傳輸技術利用線圈諧振耦合進行電能傳輸，由于礦用小功率設備基本采用蓄電池供電，所以如何利用無線充電技術為蓄電池充電成為了研究的熱點。目前，無線充電技術為蓄電池充電主要是恒壓[3-4]或恒流方式[5-6]，但單一的充電模式會產生過電位現象，嚴重損害電池。為延長電池使用壽命，陸江華等[7]提出一種改變原邊逆變器工作頻率的方法，該方法對蓄電池實現恒流-恒壓模式充電，然而建立數學模型較為困難。隨著對無線充電系統研究的深入，許多學者通過改變諧振補償網絡拓撲結構實現恒流-恒壓模式輸出[8-9]。劉幗巾等[10]提出一種改變雙邊補償網絡參數的方法，實現無線充電系統恒流-恒壓輸出，極大程度上簡化了控制策略的復雜程度，卻增加了系統參數配置的難度。戴曉鋒[11]、吉莉[12]、麥瑞坤等[13]通過改變副邊諧振補償網絡元件參數的方法，完成系統恒流模式到恒壓模式的自動切換，該方法無需改變逆變器的輸入電壓和頻率，但切換條件計算過程較為復雜。為解決這個問題，鞏兆偉等[14]利用蓄電池端電壓來切換副邊LCC/LC 補償網絡的方法，進一步簡化了控制策略，然而單一電壓等級輸出并不適用于礦井中不同規格用電設備充電。

基于上述問題，提出了一種投切諧振網絡和分壓電阻相結合的方法，實現無線充電裝置多電壓的輸出。利用回路電流矩陣方程分析原副邊諧振網絡的數學模型，得到諧振工作條件；然后分析傳統的反激電路以及恒流-恒壓充電模式的切換條件，設計了多電壓輸出反激電路和系統控制策略。通過仿真和實驗驗證了所提方法的正確性。

1 無線充電系統拓撲分析

無線充電系統主電路拓撲分為原邊電路和副邊電路如圖1 所示，原邊電路包括直流穩壓電源、反激電路、高頻逆變電路、原邊補償網絡以及原邊線圈。副邊電路包括副邊線圈，復合型LCC/LC 諧振補償網絡，全橋整流電路，以及電池的等效內阻，即電池等效內阻為充電電壓與充電電流之比[13]。

圖1 無線充電系統主電路拓撲

1.1 LCC-LCC 拓撲結構恒流輸出分析

原邊的反激電路和高頻逆變電路等效為高頻交流輸入電源，副邊全橋整流電路和負載等效為輸出阻抗，即恒流諧振補償網絡電路。等效模型如圖2所示。其中，Uin為逆變電路輸出電壓相量，Lf1、Cf1、Cf11、Lp2、Cp2、Cp22為原、副邊LCC-LCC 諧振補償網絡的電感、電容，L1、L2、M為充電線圈的電感和互感，I1、I2、I3、I0為各個回路的電流相量，Re為整流電路的等效阻抗，U0為等效阻抗的電壓相量。

由圖2 電路等效模型，列寫回路電流矩陣方程，如式(1)所示。

圖2 恒流諧振補償網絡電路等效模型

若使原、副補償網絡均達到諧振狀態，則需滿足LCC-LCC 諧振條件，如式(2)所示。

解得各個回路電流及輸出電壓，如式(3)所示。

由式(3)可知，諧振補償網絡輸出電流I0與頻率、互感系數、電感量、輸入電壓有關，而與負載無關。隨電池等效內阻增加，電流保持恒定而電壓逐漸增大，從而實現恒流特性輸出。

1.2 LCC-LC 拓撲結構恒壓輸出分析

恒壓諧振補償網絡電路等效模型如圖3 所示。其中，Uin為逆變電路輸出電壓相量，Lf1、Cf1、Cf11、Cp3為原、副邊LCC-LC 諧振補償網絡的電容，M為互感系數，L1、L2為充電線圈的電感量，I1、I2、I0為各個回路的電流相量，Re為整流電路的等效阻抗，U0為等效阻抗的電壓相量。

圖3 恒壓諧振補償網絡電路等效模型

由圖3 等效模型，列寫回路電流矩陣方程，如式(4)所示。

若使原邊電路和副邊電路均達到諧振狀態，則需滿足LCC-LC 諧振條件，如式(5)所示。

解得各個回路電流及輸出電壓，如式(6)所示。

由式(6)可知，諧振補償網絡輸出電壓U0與互感系數、補償網絡自感系數以及輸入電壓有關，而與負載無關。隨著電池等效內阻的增加，電壓保持恒定而電流逐漸減小，從而實現恒壓特性輸出。

2 改進型諧振補償網絡設計

2.1 反激變換器的分析與改進

反激變換器主電路采用單端反激式拓撲，具有結構簡單，輸入輸出電氣隔離的優點，廣泛應用于小功率設備；控制電路采用UC3842 電流型控制芯片，由于其外圍電路簡單、輸出非常適用于驅動場效應晶體管，所以采用基于UC3842 芯片構成雙閉環的反激變換器如圖4 所示。

圖4 雙閉環反激變換器

圖4 中輸出電壓U′經過R1和Rx電阻分壓后，與TL431 以及PC817 構成外部誤差放大器的基準電壓作差，得到誤差電壓。通過UC3842 內部電流比較器將誤差電壓與初級側電流比較，從而產生脈沖寬度可調的驅動信號穩定輸出電壓。R1和Rx是精密穩壓源的外接分壓電阻，投切不同的電阻以改變輸出電壓，從而實現多電壓輸出。

改進后反激電路輸出電壓與分壓電阻關系如式(7)所示。

式中:U′為反激變換器的輸出電壓；Rx和R1為分壓電阻。

由式(7)可知，反激變換器的輸出電壓U′與分壓電阻Rx(R2～R5)有關。通過開關切換不同阻值的分壓電阻，從而改變諧振補償網絡的輸入電壓。

2.2 恒流-恒壓模式切換過程分析

便攜式設備充電過程中除了改變諧振補償網絡的輸入電壓外，還需對無線充電系統恒流-恒壓動態的切換過程進行分析。該切換過程需要同時投切副邊LCC/LC 諧振網絡和反激變換器輸出的分壓電阻，但電壓和電流不能劇烈波動，否則會嚴重損壞電池。下面對恒流-恒壓切換過程進行理論分析。

假設恒流階段輸出電壓為Ucc，電流及電壓輸出關系，如式(8)、式(9)所示。

由式(8)和式(9)可知，恒流狀態下電流輸出恒定，而電壓隨著蓄電池等效電阻Re上升而升高。

假設恒壓階段輸出電壓為Ucv，電壓輸出關系如式(10)所示。

反激變換器輸出電壓U′經過高頻逆變電路，為諧振補償網絡提供高頻交流電源。

在切換過程中，電池的等效阻抗Re不會發生劇烈跳變，故輸出電壓與分壓電阻之間關系:

當恒流階段輸出電壓Ucc與恒壓階段輸出電壓Ucv相等時，利用原、副邊相互通信，投切相應電壓等級用電設備的分壓電阻，為諧振補償網絡提供相對應的輸入電壓；同時由副邊LCC 諧振補償網絡切換為LC 諧振補償網絡，實現輸出由恒流到恒壓的穩定切換，并保證電壓與電流過渡盡量平滑。

2.3 系統控制策略設計

根據不同電壓等級恒壓-恒流輸出切換條件，原、副邊的控制器分別對諧振網絡和分壓電阻進行投切，實現無線充電系統多等級電壓輸出，滿足礦井下不同設備充電要求。系統控制策略如圖5 所示。

圖5 系統控制策略框圖

系統上電后原邊的控制器發射脈沖信號，副邊的控制器接收到信號后，將用電設備給定充電電壓的信號反饋給原邊控制器，得到用電設備的給定充電電壓；副邊控制器實時檢測蓄電池當前兩端電壓，與給定充電電壓比較，當低于給定充電電壓時，副邊控制器發出信號經驅動電路放大后，控制開關K1、K2 閉合以及K3 關斷，使無線充電系統工作在LCCLCC 恒流模式；當與給定充電電壓相等時，原邊控制器根據用電設備的給定充電電壓投切相對應的分壓電阻改變高頻輸入電壓，使得切換前后蓄電池兩端電壓相等；同時，副邊控制器控制開關K1、K2 關斷以及K3 閉合，使無線充電系統工作在LCC-LC 恒壓模式。該控制方式簡單，僅需要和原邊進行簡單通信投切對應的分壓電阻，即可實現不同電壓等級充電設備充電。

3 仿真

3.1 仿真模型搭建

為驗證該方法的正確性，在Simulink 環境下搭建無線充電系統模型。根據目前市場中礦用小功率用電設備的供電電壓等級，分別對12 V、18 V、36 V 3 種電壓的用電設備進行仿真模擬。無線充電系統用24 V 直流電壓源供電；考慮到開關損耗以及補償網絡電感和電容的選取，以85 kHz 為高頻逆變電路的頻率。負載用若干不同阻值的電阻替代，模擬實際蓄電池充電過程中等效內阻變化。蓄電池充電的通用標準是充電器提供的電壓不超過1.2 倍額定電壓，充電電流是額定容量的10%。無線充電系統電路的仿真參數如表1 所示，仿真模型如圖6 所示。

表1 電路仿真參數

圖6 無線充電系統仿真模型

3.2 仿真結果

無線充電系統對蓄電池充電過程由3 個階段構成，分別為恒流階段、切換階段和恒流階段。為驗證無線充電系統多電壓輸出，分別對12 V、18 V、36 V 3 種電壓的模擬負載進行仿真，恒流階段充電曲線如圖7 所示、切換階段充電曲線如圖8 所示和恒壓階段充電曲線如圖9 所示。

由圖7～圖9 可知，充電曲線出現尖刺現象，其是由負載跳躍變化造成，而實際充電過程中電池的等效內阻是連續變化，并不會引起這種情況。

如表2 所示，分別為12 V、18 V、36 V 3 種等級下負載充電的電壓和電流仿真數據，3 種電壓等級負載在恒流充電階段，電壓U0隨著負載電阻升高成比例地上升而電流始終保持在2 A 左右。在切換階段以及恒壓階段，電壓偏差均不超過6%，切換時間在0.005 s 內，滿足蓄電池在充電過程中對電壓和電流的要求。

圖7 恒流充電曲線

圖8 12 V、18 V、36 V 等級切換階段充電曲線

圖9 12 V、18 V、36 V 等級恒壓充電曲線

表2 三種電壓等級下負載充電的電壓和電流仿真數據

4 實驗驗證

4.1 實驗平臺搭建

利用仿真軟件初步驗證方法的正確性，為進一步驗證理論的可行性，搭建實驗平臺驗證如圖10 所示。該平臺以STM32F103 為原、副邊的控制器，電源采用穩壓直流電源，全橋逆變電路開關管選用IRF640N 型MOS 管，耦合線圈以500 股的利茲線繞制而成，原副邊線圈間距15 mm，整流橋采用肖特基整流二極管MBR20100CT，電子負載代替蓄電池等效內阻，模擬實際充電過程中電池等效內阻變化過程，其變化范圍為0.1 Ω～50 Ω，通信模塊為NRF24L01 模塊，驅動電路采用IR2110S 芯片，諧振拓撲結構的電容和電感與仿真參數一致。

圖10 實驗裝置圖

4.2 實驗結果分析

無線充電系統為12 V、18 V 和36 V 3 種電壓等級負載充電的電壓、電流變化曲線如圖11 所示。

在恒流階段，3 種電壓等級下系統的輸出電流基本保持在2 A 左右。在恒流-恒壓切換階段，12 V 電壓等級下負載電阻從6 Ω 上升至7 Ω，輸出電壓變化范圍為11.98 V～12.5 V；18 V 電壓等級下負載電阻從9 Ω 上升至10 Ω，輸出電壓變化范圍為18 V～18.5 V；36 V 電壓等級下負載電阻從18 Ω 上升至20 Ω，電壓變化范圍為36.1 V～36.5 V。在切換過程中，3 種電壓等級下對負載充電均存在副邊LC 補償網絡和LCL 補償網絡同時導通情況，導致電壓和電流同時升高，但持續時間短暫，變化范圍較小，符合用電設備充電要求。

圖11 12 V、18 V、36 V 等級負載充電曲線

在恒壓階段，12 V 電壓等級下負載電阻從7 Ω增加至50 Ω，電壓變化范圍在12.3 V～12.8 V，電流下降至0.25 A 左右；18 V 電壓等級下負載電阻從9 Ω增加至50 Ω，電流下降到0.38 A 左右，電壓變化范圍為18 V～18.5 V；36 V 電壓等級下負載電阻從20 Ω 增加至50 Ω，電壓變化范圍為35.8 V～36.8 V，電流持續下降到0.75 A 左右。3 種電壓等級下負載充電的電壓和電流實驗數據如表3 所示。

表3 三種電壓等級下負載充電的電壓和電流實驗數據

根據蓄電池充電要求，在12 V、18 V、36 V 電壓等級下負載充電電壓最高分別限制在14.4 V、21.6 V、43.2 V 以內，由實驗結果表明不同等級下切換過程充電電壓超調量在5%之內；恒壓狀態下充電電壓精度在7%之內，均可以滿足不同等級下蓄電池充電時電壓變化的要求。

5 結論

(1)為了解決傳統無線充電技術無法為煤礦中便攜式用電設備統一充電的問題，提出了一種投切諧振網絡和分壓電阻相結合的方法。通過副邊向原邊傳遞用電設備充電電壓信息，投切對應的分壓電阻，以改變諧振網絡高頻交流輸入電壓，實現無線充電裝置多等級電壓輸出。

(2)搭建了仿真模型和實驗平臺驗證，其結果表明在12 V、18 V、36 V 電壓等級下，負載實現了恒流恒壓充電，切換過程以及恒壓充電過程中電壓偏差在7%之內，符合蓄電池的充電要求，驗證了所提方法為煤礦用電設備統一充電的可行性。