基于補償拓撲切換的MCR-WPT最大效率追蹤方法

常雨芳, 李 飛, 唐 楊, 薛旭池, 閻 晟, 尹帥帥

(湖北工業大學 電氣與電子工程學院, 武漢 430068)

近年來,關于MCR-WPT技術的研究已經進入了快速發展的階段,并取得了一些階段性的成果[1],廣泛應用到手機、自動導航運輸車(automated guided vehicle,AGV)與電動汽車等領域[2-5].黃沛等[6]針對S-S補償拓撲結構阻抗失配問題提出了基于遺傳算法(genetic algorithm,GA)的神經網絡算法和DC-DC占空比調節相結合的系統阻抗匹配方法,使系統傳輸效率得到了提升;劉媛媛等[7]提出了一種基于實時耦合系數估算的系統最大效率跟蹤策略,通過改變Buck-Boost電路的占空比來改變耦合系數以實現最大效率追蹤;吳曉偉等[8]使用改進多目標粒子群算法針對無線電能傳輸效率進行優化,引入混沌局部搜索與懲罰因子的概念,實時調整系統諧振補償電容值,實現了系統高頻阻抗匹配;DAI等[9]提出了考慮二值問題的耦合系數辨識WPT系統最大功率轉移跟蹤方法,擴寬了系統傳輸效率與傳輸功率的追蹤范圍;趙越等[10]采用改進遺傳算法對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統效率進行優化設計;周念成等[11]提出了基于SS型磁耦合諧振無線電能傳輸頻帶序列劃分方法,但是該方法波動較大;趙靖英等[12]研究了LCL型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的設計方法;張靜等[13]分析了磁耦合諧振串并式無線充電裝置可靠性.通過對已有文獻的分析可以看出,在無線電能傳輸領域,如何提升寬負載變化范圍內的MCR-WPT系統傳輸效率仍然是該領域研究的熱點之一.

本文在分析MCR-WPT系統兩種補償拓撲結構的基礎上,提出一種基于補償拓撲結構切換的最大效率追蹤方法,將MCR-WPT系統分為輕載與重載兩種工作模式,并根據有源阻抗匹配原理,使用Buck-Boost電路自適應地對系統最大效率點進行追蹤.仿真及對比分析證明,該最大效率追蹤方法能夠有效提升系統無線傳輸效率.

1 MCR-WPT系統建模分析

本文采用等效電路模型的方法對兩線圈S-S型、S-P型補償拓撲結構的MCR-WPT系統進行分析.S-S補償拓撲結構如圖1a所示,S-P補償拓撲結構如圖1b所示.

圖1 S-S與S-P補償拓撲結構Fig.1 S-S and S-P compensation topologies

兩系統的工作角頻率為ω=2πf,其中系統的工作頻率f參考2016年美國汽車工程協會發布的SAE TIR J2954無線充電標準[14],其典型諧振頻率為85 kHz.

利用基爾霍夫定律列出S-S補償拓撲結構的諧振電路模型的回路方程為

(1)

接收回路的反射阻抗為

(2)

輸入回路的等效阻抗為

(3)

針對系統傳輸效率ηSS對負載電阻RL求偏導,求得MCR-WPT系統傳輸效率最大時對應的最佳負載阻抗RMax為

(4)

當傳輸系統諧振時有

(5)

由于dηSP/dRL>0始終成立,因此,S-P補償拓撲結構的傳輸效率曲線為單調遞增,即負載值越大,其傳輸效率越高.

通過MATLAB軟件分別繪出兩種不同補償拓撲結構負載RL與傳輸效率η的關系曲線圖,如圖2所示.

圖2 兩種不同補償拓撲結構的負載與效率關系曲線Fig.2 Relationship curves between load and efficiency of two different compensation topologies

由圖2可知:S-S型補償拓撲結構在負載較小的情況下傳輸效率要優于S-P補償拓撲結構,且系統存在著唯一效率最大值點,此時所對應的負載阻抗值為RMax.但是隨著負載值的增大,S-P型補償拓撲結構的傳輸效率逐漸增大,并最終優于S-S型補償拓撲結構,且系統傳輸效率與負載阻抗值的大小呈正相關性.兩種補償拓撲結構的傳輸效率曲線在工作頻率與互感相同的條件下會有一個交點,此時對應的負載阻抗值為RL-Pi.令ηSS=ηSP,可得

(6)

以RL-Pi為判定條件,提出一種新的最大效率追蹤方法.當系統處于負載較小(負載阻抗RL

圖3 最大效率追蹤流程圖Fig.3 Flow chart of maximum efficiency tracking

2 系統最大效率點追蹤

2.1 S-S補償拓撲結構下的最大效率點跟蹤

當負載阻抗RL

本文所采用的有源Buck-Boost阻抗匹配方法原理圖如圖4所示.

圖4 Buck-Boost阻抗匹配原理圖Fig.4 Schematic principle of Buck-Boost impedance matching

圖4中,R′L為接收端線圈等效輸出阻抗;RLeq為Buck-Boost等效負載阻抗.當負載阻抗RL發生變化時,可以通過改變MOSFET開關管Q1的占空比d來調節Buck-Boost等效負載阻抗RLeq,其關系表達式為

(7)

接收線圈等效輸出阻抗R′L與Buck-Boost的等效負載阻抗RLeq關系表達式為

(8)

在負載阻抗RL變化的情況下,可以通過改變MOSFET開關管Q1的占空比d來調節接收線圈等效輸出阻抗R′L的值,以實現阻抗匹配.

當阻抗匹配時,系統傳輸效率可以取得唯一最優值,進而求解基于最優傳輸效率的最優占空比Dopt-η,以實現S-S補償拓撲結構下最大效率點跟蹤.

2.2 S-P補償拓撲結構下的最大效率點跟蹤

當MCR-WPT系統負載阻抗持續增大時,若系統仍工作在S-S補償拓撲結構下,系統傳輸效率將降低,因此需對線圈結構進行切換,使其工作模式由輕載模式轉為重載模式,系統補償拓撲結構切換示意圖如圖5所示.

圖5 系統補償拓撲結構切換示意圖Fig.5 Schematic diagram of system compensation topology switching

當負載阻抗大于等效阻抗時,閉合K1、K2、K3,令MOSFET開關管Q1的占空比d=0,從而使MCR-WPT系統切換至S-P型補償拓撲結構,系統工作在重載工作模式.此工作模式下的系統傳輸效率與負載阻抗值的大小呈正相關性,因此,當負載阻抗值逐漸增大時,應及時切換補償拓撲結構為S-P型,以實現大負載場合下的最大效率點跟蹤.

3 仿真分析

為了驗證最大效率點追蹤的可行性,本文在MATLAB中對所提的MCR-WPT系統進行了仿真分析.

模型中發射線圈側由直流電源、高頻逆變電路與串聯諧振補償網絡組成;接收線圈由S-S型、S-P型可切換補償拓撲網絡,不控全橋整流電路,Buck-Boost電路與可調負載構成.通過采集負載端的阻抗變化實現不同負載條件下的系統最大效率點跟蹤.接收端的可調負載阻抗用幾個并聯電阻代替,以便于仿真分析,通過階躍信號控制MOSFET的關斷以實現負載阻抗的調節.MATLAB仿真參數如表1所示.

表1 MATLAB電路設計參數Tab.1 MATLAB circuit design parameters

3.1 S-S補償拓撲結構的最大效率點跟蹤仿真

首先計算出S-S補償拓撲結構與S-P補償拓撲結構的效率曲線交點RL-Pi約為65 Ω,如果負載阻抗RL

圖6 S-S補償拓撲結構的仿真結果Fig.6 Simulation results of S-S compensation topology

由圖6可以看出,0.1 s時負載阻抗由30 Ω變為12 Ω,在使用有源阻抗匹配的Buck-Boost最大效率點追蹤電路時,系統維持原有傳輸效率,約為84.5%;在無最大效率點追蹤的條件下,系統傳輸效率下降,由原先的84.5%降至70.5%,證明了小負載條件下基于有源阻抗匹配的Buck-Boost最大效率點追蹤的有效性.

3.2 S-P補償拓撲結構的最大功率點跟蹤仿真

當負載阻抗RL>RL-Pi,則閉合開關,調節Buck-Boost中MOSFET占空比,此時系統工作在S-P補償拓撲結構下.通過增大負載阻抗的值對系統傳輸特性進行仿真,其仿真結果如圖7所示.

圖7 補償拓撲結構的仿真結果Fig.7 Simulation results of compensation topology

從圖7可以看出,0.1 s時負載阻抗由50 Ω變為75 Ω,若系統仍保持在S-S補償拓撲結構下,系統效率從84.5%下降至83.6%;當系統在0.1 s切換至S-P補償拓撲結構時,系統效率由84.5%提高至91.6%.仿真結果表明,在較大負載條件下S-P補償拓撲結構的傳輸效率更高.

3.3 實際工況分析

根據實際仿真參數搭建了AGV無線充電小車作為實驗驗證平臺,具體仿真參數表1所示,AGV無線充電小車實物圖如圖8所示.使用可調電阻來模擬系統的輕載與重載工作狀態,實驗結果如表2所示.

表2 不同負載情況下的系統傳輸效率Tab.2 System transmission efficiency under different loads

圖8 AGV無線充電系統實驗平臺Fig.8 AGV wireless charging system experimental platform

由表2可知,系統在負載電阻變換的情況下可以自適應地切換補償拓撲結構并調節工作模式,且傳輸效率比仿真結果(輕載模式下最大傳輸效率約為84.5%;重載模式下約為91.6%)略低,但總體趨勢相同,驗證了理論與仿真的正確性.

4 結 論

針對MCR-WPT系統在大負載條件下S-S補償拓撲結構傳輸效率低、小負載條件下S-P補償拓撲結構傳輸效率低的問題,本文對兩補償拓撲結構進行分析,并對切換點處的負載阻抗值公式進行了推導,依此負載阻抗值將系統分為輕載與重載兩種工作模式.通過仿真實驗證實了在這兩種工作模式下,系統傳輸效率均得到了提升,證明了所提出的最大效率追蹤方法的有效性.