磁耦合諧振式無線電能傳輸雙側(cè)調(diào)諧研究

譚振

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術(shù)由于其脫離了傳統(tǒng)的有線傳輸?shù)氖`，通過空氣、水等軟介質(zhì)將電能以非直接接觸的方式進行傳輸，具有靈活性高、安全等優(yōu)點，受到了近年來人們的青睞[1]。

磁耦合諧振式無線電能傳輸（MCR-WPT）技術(shù)因其傳輸距離相對較遠，并且其傳輸功率和效率相對較高，逐漸成為當今研究的熱點[2]。但磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的敏感性很強，極容易受到環(huán)境變化、負載波動等因素的干擾，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，系統(tǒng)的諧振頻率工作點發(fā)生偏移，進而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸功率和效率的降低，所以需要對系統(tǒng)進行調(diào)諧，以保證系統(tǒng)的輸出功率和效率最大化[3]。

諧振狀態(tài)的跟蹤主要有頻率跟蹤和阻抗匹配兩種方式。頻率跟蹤是主要調(diào)節(jié)逆變器的發(fā)射頻率，當發(fā)射頻率處于最佳點時，電路處于諧振狀態(tài)，此時系統(tǒng)的效率最大。文獻[4]對于頻率的跟蹤采用鎖相環(huán)的方式，動態(tài)地根據(jù)系統(tǒng)阻抗角來調(diào)節(jié)相位，但采用硬件實現(xiàn)抗噪聲能力差。文獻[5]采用數(shù)字鎖相環(huán)的方式，但對硬件的數(shù)字處理能力較強；諧振頻率的選取也是尋優(yōu)問題。通過采用遺傳算法[6]、粒子群算法[7]、模擬退火算法[8]等算法也可以對諧振頻率跟蹤控制，但迭代過程較久，且計算相對復(fù)雜。使用阻抗匹配技術(shù)可以在保持發(fā)射頻率的相對穩(wěn)定下調(diào)節(jié)等效阻抗。文獻[9] 通過相控電容調(diào)節(jié)阻抗，但控制精度同樣較低；文獻[10]采用較復(fù)雜的Sepic 電路能對發(fā)射端和接收端做阻抗匹配，不僅能夠有效地調(diào)諧，還能實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率傳輸。

本文針對磁耦合諧振式無線電能傳輸提出一種雙側(cè)的復(fù)合調(diào)諧方法，針對雙側(cè)參數(shù)不一致的情況下，檢測阻抗角大小進行實時的自適應(yīng)調(diào)頻，并且接收端采用電容陣列的進行小范圍調(diào)諧，該復(fù)合調(diào)諧方法有效地實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的雙側(cè)諧振，保證了系統(tǒng)的高效傳輸。

1 無線電能傳輸系統(tǒng)頻率分析

■1.1 SS 拓撲電路

圖1 SS 耦合電路模型

為了便于分析，忽略逆變橋和整流橋的非線性，由電路基爾霍夫定律得：

由(1)可得接收側(cè)折算到原邊的反射阻抗：

■1.2 失諧特性分析

圖2 不同原邊固有諧振頻率下發(fā)射頻率與效率的關(guān)系

從圖中可以看出當發(fā)射頻率與發(fā)射側(cè)固有諧振頻率接近時，效率最大。

圖3 不同副邊固有諧振頻率下發(fā)射頻率與效率的關(guān)系

圖4 兩側(cè)不同固有諧振頻率下發(fā)射頻率與效率的關(guān)系

從圖4 中可以看出當原副邊都失諧時，傳輸效率的峰值點在原邊固有諧振頻率點附近，所以調(diào)節(jié)逆變橋的頻率有利于原邊的固有諧振頻率，副邊失諧時只能盡量通過補償阻抗來保持副邊的諧振狀態(tài)。

■1.3 失諧檢測依據(jù)

由公式可得到原邊電壓與電流的相位差，即阻抗角隨頻率變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 發(fā)射頻率和輸入阻抗角的關(guān)系

2 頻率跟蹤方法

根據(jù)前述分析，當兩邊參數(shù)不一致時，頻率跟蹤調(diào)節(jié)對原邊比副邊更加敏感，所以本文提出復(fù)合控制方法，首先對原邊進行頻率跟蹤控制，通過給定一個較低的起振頻率，等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對信號以過零檢測的方式鑒別相位差，當逆變橋以零相位驅(qū)動時，可以只采集電流的相位，不采集電壓的相位，盡量減小采樣誤差，并根據(jù)相位差不斷調(diào)節(jié)頻率，給定一個變步長，使系統(tǒng)相位差始終保持在一定的誤差范圍內(nèi)，流程如圖6 所示。

圖6 自適應(yīng)頻率跟蹤控制流程圖

圖7 仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖8 頻率變化曲線

接收側(cè)采用電容陣列的方式，考慮到接收側(cè)失諧影響較低，副邊采取串并聯(lián)電容方案，在一定范圍內(nèi)對副邊阻抗進行調(diào)節(jié)，當輸入電壓與接收側(cè)電流的相位角接近90 度時，選擇合適的電容陣列方案。

3 仿真驗證

判斷是否調(diào)諧成功的方法之一是觀察傳輸效率，圖9為效率變化曲線。

圖9 效率變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，基于自適應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)和電容陣列的復(fù)合調(diào)諧模式能夠有效地對雙側(cè)參數(shù)不一致的系統(tǒng)進行調(diào)諧。

4 結(jié)論

對磁耦合諧振式無線電能傳輸非對稱失諧做了深入研究。以SS 串串補償為例，提出了一種基于自適應(yīng)調(diào)頻與電容陣列的復(fù)合調(diào)諧策略。通過對原邊和副邊在不同諧振條件下的頻率特性進行理論分析，建立SS 磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)恼{(diào)諧模型，通過電壓和電流的相位差有效的判定系統(tǒng)是否失諧；仿真實驗表明，使用基于自適應(yīng)調(diào)頻與電容陣列的復(fù)合調(diào)諧策略有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)的雙側(cè)調(diào)諧，并且方法易于實現(xiàn)。