無(wú)線充電系統(tǒng)恒壓恒流控制策略分析

王 飛

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

0 引 言

無(wú)線輸電技術(shù)最大的亮點(diǎn)是摒棄了傳統(tǒng)的電線連接方式，具有對(duì)用電環(huán)境的依賴性低、電能損耗小等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，無(wú)線輸電的形式主要包括電磁感應(yīng)式無(wú)線輸電、電磁輻射式無(wú)線輸電、磁耦合諧振式無(wú)線輸電[2]。磁耦合諧振式無(wú)線輸電兼顧傳輸效率高和傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)無(wú)線充電。由于用電設(shè)備負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致輸出效率低，因此采用恒壓恒流控制方式維持其穩(wěn)定。恒流充電的原理是維持充電過(guò)程中電流保持不變，容易導(dǎo)致電池過(guò)充，造成電池的使用壽命大大縮短[3]。恒壓充電的原理與恒流充電相似，即在充電過(guò)程中保持電壓的大小和方向不變，容易導(dǎo)致充電不足。實(shí)現(xiàn)恒壓恒流的充電有很多方法，例如混合補(bǔ)償法、DC-DC變換電路法、變頻控制法以及移相控制法等[4]。本文利用移相控制法實(shí)現(xiàn)恒壓恒流充電，該方法無(wú)需改變諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，不用添加功率變換模塊，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和設(shè)計(jì)成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

1 磁諧振式無(wú)線充電補(bǔ)償拓?fù)涞姆诸?/h2>

磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)相當(dāng)于松耦合變壓器，可以降低系統(tǒng)的無(wú)功功率。通過(guò)在原邊電路和副邊電路中加入補(bǔ)償電容，使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)[5]。由電路理論知識(shí)可知，處于諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率達(dá)到最大。根據(jù)補(bǔ)償電容與收發(fā)線圈的連接方式，可分為SS型、SP型、PS型以及PP型[6]。其中，S代表補(bǔ)償電容與線圈串聯(lián)，P代表補(bǔ)償電容與線圈并聯(lián)。以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的SS型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，仿真分析負(fù)載阻值變化對(duì)輸出功率和效率的影響。

SS型補(bǔ)償電路輸出功率變化曲線如圖1所示。

圖1 SS型補(bǔ)償電路輸出功率

由圖1可知，隨著負(fù)載阻值的增大，輸出功率逐漸變大。負(fù)載阻值在0～100 Ω變化時(shí)，輸出功率和負(fù)載阻值成正比例關(guān)系，而輸出功率的增長(zhǎng)速度隨著負(fù)載阻值的增大而逐漸減小。當(dāng)負(fù)載阻值為100 Ω時(shí)，輸出功率達(dá)到最大。

SS型補(bǔ)償電路輸出效率如圖2所示。

圖2 SS型補(bǔ)償電路輸出效率

由圖2可知，隨著負(fù)載阻值的增大，輸出效率先增大再減小。當(dāng)負(fù)載阻值為9.7 Ω時(shí)，輸出效率最大，達(dá)到93.34%。

2 磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)

原邊電路和副邊電路是構(gòu)成磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的兩大部分。其中，原邊電路由對(duì)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)的整流濾波環(huán)節(jié)和高頻逆變環(huán)節(jié)、原邊補(bǔ)償電路以及發(fā)射線圈部分組成，副邊電路由接收線圈、副邊補(bǔ)償電路以及功率調(diào)節(jié)裝置組成[7]。

2.1 系統(tǒng)工作過(guò)程

由電磁知識(shí)可知，交流電的頻率越高，傳輸?shù)哪芰吭酱蟆Ｍㄟ^(guò)整流電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，然后通過(guò)高頻逆變電路將脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電，高頻交流電流過(guò)能量發(fā)射線圈兩端后產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)諧振拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)使發(fā)射機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)擁有相同的固有頻率，從而增大電路中電壓和電流的增益，提高傳輸效率和功率，延長(zhǎng)傳輸距離。

2.2 能量傳輸過(guò)程

高頻逆變電路驅(qū)動(dòng)能量發(fā)射回路發(fā)生諧振，將電源提供的能量轉(zhuǎn)變成能量發(fā)射回路中的電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能。電容儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，兩者的大小相等，呈周期性震蕩。能量發(fā)射回路中的磁場(chǎng)能通過(guò)耦合線圈轉(zhuǎn)換成能量接收回路中的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能，引起收發(fā)線圈諧振，經(jīng)過(guò)高頻整流器向負(fù)載供能。儲(chǔ)存在發(fā)射回路和接收回路的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能通過(guò)諧振和磁耦合現(xiàn)象不斷交換，能量持續(xù)從電源傳輸?shù)截?fù)載，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

3 恒壓恒流控制策略

在手機(jī)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化引起系統(tǒng)初始設(shè)置的諧振狀態(tài)被打破，非諧振狀態(tài)造成系統(tǒng)的輸出特性發(fā)生很大的變化。為了維持負(fù)載兩端恒定功率輸出，不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，提出移相控制策略。

3.1 基本原理

當(dāng)整個(gè)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)時(shí)，利用移相的控制模塊對(duì)一次側(cè)的MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先，對(duì)副邊線圈兩端的電壓及電流信號(hào)進(jìn)行采樣，將采集的電壓及電流與設(shè)定的輸出值進(jìn)行對(duì)比；其次，將所獲得的對(duì)比信號(hào)輸送至比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）調(diào)制環(huán)節(jié)，計(jì)算得到相應(yīng)的占空比；最后，將占空比的比值轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)MOS管相應(yīng)的方波脈沖，通過(guò)控制全橋MOS管的導(dǎo)通速率改變系統(tǒng)的傳輸狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓恒流控制[8]。

3.2 仿真分析

采用SS型補(bǔ)償?shù)臒o(wú)線電能傳輸方式，通過(guò)仿真軟件MATLAB搭建其主電路，在負(fù)載端截取相應(yīng)的電壓及電流信號(hào)傳輸至相應(yīng)的控制模型中。發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)后由接收線圈接收，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換將交變磁能轉(zhuǎn)換為交流電，然后再通過(guò)全橋整流電路轉(zhuǎn)換成負(fù)載使用時(shí)所需的交流電，經(jīng)過(guò)濾波電容濾除危害用電設(shè)備的電壓尖峰，直接輸送給用電設(shè)備。搭建的模型如圖3所示，其中用電設(shè)備以恒定的電阻來(lái)代替。

圖3 仿真模型

采用全橋逆變電路，將輸入端給定的直流供電電壓通過(guò)控制全橋MOS管的通斷轉(zhuǎn)換成線圈傳輸所需的交變電流。由于傳輸線圈自帶感值，為了保證處于高收發(fā)效率的狀態(tài)，需要加入諧振電容使電感值和電容值保持平衡。系統(tǒng)經(jīng)歷起振狀態(tài)之后0.1 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.2 s時(shí)施加外部脈沖控制與負(fù)載并聯(lián)的MOS管，使MOS串聯(lián)的電阻接入電路，此時(shí)等效負(fù)載發(fā)生變化。由電阻的串并聯(lián)理論可知，并聯(lián)到負(fù)載兩端的電阻會(huì)使系統(tǒng)的阻值變小。

系統(tǒng)的輸出電壓仿真波形如圖4所示。

圖4 電壓波形

由圖4可知，輸出電壓在負(fù)載變化之前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定為15 V。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載在0.2 s發(fā)生瞬間變化時(shí)，負(fù)載兩端的電壓下降，然后在0.25 s后電壓穩(wěn)定在15 V。

系統(tǒng)的輸出電流仿真波形如圖5所示。

圖5 電流波形

由圖5可知，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載在0.2 s發(fā)生瞬間變化時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流上升，然后在0.25 s后穩(wěn)定在1 A。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了通過(guò)移相控制方法實(shí)現(xiàn)恒壓恒流輸出的有效性。

4 結(jié) 論

綜上所述，選用磁耦合諧振式無(wú)線充電的方式，提出移相控制的策略，在系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)維持輸出電壓及電流不發(fā)生變化。通過(guò)搭建仿真模型，對(duì)控制策略的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果符合預(yù)期，具有一定的實(shí)用價(jià)值。