非接觸通用供電平臺(tái)多負(fù)載解諧控制方法研究

李宗峰　徐　磊

摘 要：利用新穎的自維持動(dòng)態(tài)解諧控制方法解決了非接觸通用供電平臺(tái)多負(fù)載情況下，單個(gè)負(fù)載突然變動(dòng)或波動(dòng)較大時(shí)，對(duì)其他用電器的功率影響問(wèn)題，避免了系統(tǒng)的崩潰，為多負(fù)載非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。理論分析與PSpice仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)；非接觸；多負(fù)載；動(dòng)態(tài)解諧

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-133-04

Research on Detuning Control of General Contactless Power Supply Platform with Multiple Loads

LI Zongfeng,XU Lei

(School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,450001,China)

Abstract：Using novel dynamic deduning control,.the question on power control of general contactless power supply platform with multiple loads is solved,avoiding a total system failure,and stable operation is ensured,especially the fluctuation or disappearance of loads.The feasibility of dynamic deduning control design is tested by the theoretical analysis and a successful PSpice simulation experiment.

Keywords：inductively coupled power transfer;contactless;multiple loads;dynamic deduning

0 引 言

ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)供電系統(tǒng)作為一種新型的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，以非接觸的感應(yīng)耦合方式可以實(shí)現(xiàn)各種功率水平的電能傳輸［1］。由于其供電端與用電設(shè)備相互分離，不存在摩擦與磨損，避免了諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、碳積和導(dǎo)體不安全裸露等所帶來(lái)的安全隱患，越來(lái)越受到一些易燃、易爆的化工、采礦等行業(yè)的青睞，也為新型非接觸充電設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了廣闊的發(fā)展前景。目前已有電動(dòng)汽車(chē)非接觸充電［2］、煤礦有軌運(yùn)輸車(chē)［3］、個(gè)人剃須刀［4］、人體醫(yī)學(xué)植入［5］等成功應(yīng)用的報(bào)道，且大多集中在針對(duì)單個(gè)負(fù)載情況下系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，原副邊的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的諧振頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定等問(wèn)題展開(kāi)研究［6］，本文以非接觸通用供電平臺(tái)［7,8］為例研究多負(fù)載情況下系統(tǒng)的功率控制問(wèn)題。

所謂非接觸通用供電平臺(tái)，是指通過(guò)一個(gè)平板以放置的方式向諸如手提電腦、臺(tái)燈、手機(jī)、CD機(jī)、MP3播放器、電子詞典等用電器單個(gè)或同時(shí)多個(gè)供電的裝置。由于供電的非接觸特性和放置負(fù)載的靈活性，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文基于非接觸通用供電平臺(tái)多負(fù)載情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型并分析單個(gè)負(fù)載存在突然變動(dòng)或者負(fù)載變動(dòng)較大，可能帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果，提出一種自維持的動(dòng)態(tài)解諧功率流量控制方法。其基本原理就是：根據(jù)負(fù)載對(duì)功率流量要求的變化，自動(dòng)地改變拾取端電感或電容的值，使電路脫離諧振狀態(tài)，調(diào)整負(fù)載端的輸出電壓。當(dāng)單個(gè)或其中某幾個(gè)負(fù)載突然出現(xiàn)重載或輕載時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)該負(fù)載解諧，而當(dāng)該負(fù)載恢復(fù)正常狀況時(shí)，又能夠使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，且又不需要外部控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。自維持的動(dòng)態(tài)解諧控制與傳統(tǒng)的控制方法如開(kāi)關(guān)短路控制、線性調(diào)整器控制等相比有幾個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 比傳統(tǒng)的拾取端控制方法的效率更高。主要是因?yàn)樵摽刂品椒軌蛑悄艿膶?shí)時(shí)控制流入負(fù)載的功率流量。在開(kāi)關(guān)短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動(dòng)態(tài)解諧控制能夠根據(jù)需要的大小自動(dòng)地調(diào)整流入負(fù)載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿(mǎn)足負(fù)載的需要。

(2) 能夠適應(yīng)運(yùn)行頻率的小幅波動(dòng)。傳統(tǒng)的拾取側(cè)控制方法假定拾取側(cè)的工作頻率等于原邊的運(yùn)行頻率，同時(shí)也假定該系統(tǒng)運(yùn)行是不分叉的，也就是不會(huì)出現(xiàn)多值現(xiàn)象。但實(shí)際當(dāng)中，分叉現(xiàn)象的出現(xiàn)與頻率波動(dòng)有很大關(guān)系［9］。但動(dòng)態(tài)解諧控制不會(huì)受系統(tǒng)頻率較小波動(dòng)影響，它的解諧點(diǎn)能夠隨著運(yùn)行頻率的波動(dòng)做同向的移動(dòng)。

(3) 改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，動(dòng)態(tài)解諧控制能夠把功率根據(jù)負(fù)載的需要大小合理分配，額外的功率同時(shí)又可以供電平臺(tái)上的其他用電器供電，從而降低了原邊上的功率要求。動(dòng)態(tài)解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動(dòng)或者負(fù)載變動(dòng)較大的設(shè)備。

(4) 不需要額外的電壓調(diào)整器。動(dòng)態(tài)解諧控制能夠把負(fù)載上的輸出調(diào)整到一個(gè)期望的水平等級(jí)，也就省去了額外的電壓調(diào)整過(guò)程。此外，比線性的電壓調(diào)整器又具有更大的靈活性，可以比較方便地設(shè)定電壓輸出值的大小。

1 典型的非接觸通用供電平臺(tái)

基本的電流饋送并聯(lián)諧振型非接觸通用供電平臺(tái)［8］如圖1所示。由直流電感Ld、分裂電感LSP與兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅(qū)動(dòng)一個(gè)由原邊電容C1、電感L1組成的并聯(lián)諧振電路；n個(gè)L2，C2構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，組成向等效負(fù)載RLn傳輸功率的拾取電路(pick up)，n為負(fù)載的個(gè)數(shù)。

圖1 非接觸通用供電平臺(tái)

以單個(gè)負(fù)載為例進(jìn)行分析，拾取端開(kāi)路電壓為VOC，M為原副邊的互感，I1為原邊線圈上的電流，則有：

VOC=jωMI1(1)

為了便于對(duì)電路進(jìn)行分析，根據(jù)等效原則對(duì)拾取側(cè)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將與所構(gòu)成的并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成電阻Rs與電容Cs的串聯(lián)，則有：

Rs=RL1+Q22霷LQ22(2)

Cs=C2(1+Q22)Q22霤2(3)

這里，Q2=ωC2RL為副邊的品質(zhì)因數(shù)。那么，副邊的阻抗Z2就為:

Z2=jωL2+1jωCs+Rs(4)

由式(1)，拾取側(cè)的短路電流ISC為:

ISC=MI1L2(5)

在選取副邊補(bǔ)償電容C2時(shí)，使其與副邊電感L2構(gòu)成諧振，在拾取線圈上的電壓V2為:

V2=ωMI1Q2(6)

拾取側(cè)獲取最大功率P2為:

P2=V2ISC=ωI21M2Q2L2=I21M2RLL22(7)

負(fù)載上的最大功率只與原邊電流，原副邊間的互感以及副邊線圈的自感有關(guān)。

通常情況下副邊電感L2上的電流為:

I2=jωMI1Z2(8)

副邊拾取側(cè)映射到原邊的電壓Vr為:

Vr=-ω2M2Z2I1(9)

在諧振的狀況下，副邊電感與補(bǔ)償電容相互消除，副邊阻抗可以簡(jiǎn)化為一個(gè)純電阻Rs，則映射電壓Vr的幅值可表示為:

Vr=ω2M2RsI1霱2L22I1RL(10)

從式(7)，式(10)可以看出，負(fù)載RL的值越大，副邊拾取側(cè)映射到原邊線圈上的映射電壓就越大，該負(fù)載上獲取的功率也就越大。因此，在多負(fù)載的情況下，當(dāng)某一負(fù)載輕載時(shí)，也即是RL值突然變大或者波動(dòng)較大時(shí)，就很容易阻礙供電平臺(tái)上的其他用電設(shè)備獲取足夠的功率，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰；同時(shí)，輕載的負(fù)載也將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行頻率不穩(wěn)，以至于其他的用電設(shè)備由于不能工作于諧振頻率而不能獲取足夠的功率。

2 動(dòng)態(tài)解諧控制實(shí)現(xiàn)

考慮到多負(fù)載非接觸通用供電平臺(tái)的實(shí)際特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)解諧的解決方案，如圖2所示，該電路由一個(gè)定值電感和一個(gè)可變電容組成。負(fù)載的變動(dòng)將導(dǎo)致輸出電壓Vo的變化以及功率的改變，因此，動(dòng)態(tài)解諧諧控制主要是流入負(fù)載的輸出電流的大小。

圖2 拾取側(cè)動(dòng)態(tài)解諧控制的基本結(jié)構(gòu)圖

并聯(lián)解諧控制的簡(jiǎn)化模型如圖3所示，當(dāng)電路解諧時(shí)，電感和電容的電抗都將隨之改變。此時(shí)，負(fù)載上的電流可以表示為：

IR=ISC+IL-IC(12)

圖3 拾取側(cè)并聯(lián)解諧控制的簡(jiǎn)化模型

為了進(jìn)一步說(shuō)明負(fù)載電流和電容值的變化關(guān)系，根據(jù)圖3給出如下關(guān)系式(12)：

IR=VOCR?R1+(ωRC)2〗2+ωR2C1+(ωRC)2〗2R1+(ωRC)2〗2+ωL-ωR2C1+(ωRC)2〗2(12)

其中：R表示負(fù)載，C表示可變電容，L是拾取線圈電感，VOC是感應(yīng)的開(kāi)路電壓，IR是負(fù)載電流，ω是諧振頻率。由式(12)可以看出，如果其他參數(shù)如R，L，VOC，ω等都固定不變時(shí)，那么負(fù)載電流將隨電容值的變化而變化，如圖4所示。只有在電容的諧振值這一點(diǎn)負(fù)載電流值最大，當(dāng)電容值偏離諧振點(diǎn)電容越大，負(fù)載電流的下降也越大。因此，可以采用兩種方法來(lái)達(dá)到電路失諧，控制電流大小的目的，根據(jù)可變電容值與諧振點(diǎn)電容值的比較，可變電容小被定義為欠調(diào)諧控制和可變電容大被定義為過(guò)調(diào)諧控制。本文只以欠調(diào)諧控制為例來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)解諧方法。

式(12)給出的是負(fù)載電流與可變電容之間的關(guān)系，其中負(fù)載是一個(gè)給定的不變量，而實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要考慮的是負(fù)載變動(dòng)與可變電容之間的關(guān)系，如式(13)：

C=4V4oω4R4L-4V2oω4R2L2(V2oR2+V2oω2L2-V2OCR2)〗/

(2V2oω4R2L2)

(13)

其中：Vo是流經(jīng)負(fù)載的輸出電壓，R是負(fù)載，L是拾取線圈電感，ω是諧振頻率，VOC是拾取端感應(yīng)的開(kāi)路電壓，C是可變電容。在給定的輸出電壓Vo的前提下，由式(13)可以計(jì)算出不同負(fù)載下的電容值。因此，可以采用電容在可控的開(kāi)關(guān)頻率下開(kāi)啟與關(guān)斷來(lái)等效電容值的變化，具體電路如圖5所示。

其中，在該電路中，電容開(kāi)關(guān)控制依據(jù)負(fù)載輸出DC電壓反饋與給定的期望電壓參考值相比較的結(jié)果，產(chǎn)生控制電容開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)。同時(shí)，在可控頻率下開(kāi)關(guān)電容Ct開(kāi)關(guān)能夠在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)所需要的平均電流；而位于開(kāi)關(guān)電容前面的固定電容Cs的作用是為啟動(dòng)電容開(kāi)關(guān)電路提供最小的啟動(dòng)功率。

圖4 負(fù)載電流與可變電容的關(guān)系

圖5 動(dòng)態(tài)解諧控制的簡(jiǎn)單示意圖

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為額定諧振頻率 40 kHz，拾取側(cè)感應(yīng)開(kāi)路電壓的峰值5.18 V，副邊線圈電感15.4 μH，負(fù)載上的輸出電壓設(shè)定為15 V。由式(14)可以求出固定電容值為0.673 μH，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電容值就等于諧振電容值減去固定電容的值，也就是0.357 μH。圖6給出了負(fù)載輕載時(shí)，開(kāi)關(guān)電容、固定電容、開(kāi)關(guān)電容驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及輸出負(fù)載上的電壓波形。圖7和圖8給出的是動(dòng)態(tài)欠調(diào)諧控制下，負(fù)載變化上時(shí)的輸出電壓波形及負(fù)載上的輸出功率情況。從圖中可以看出，輕載時(shí)，開(kāi)關(guān)電容開(kāi)關(guān)頻率較低，該電路盡量保持解諧狀態(tài)來(lái)限制負(fù)載上的電壓大小，使電壓穩(wěn)定在15 V；同時(shí)，輸出功率并沒(méi)有隨著負(fù)載輕載運(yùn)行而增加，而相應(yīng)地有所減少，消除了對(duì)其他用電器的功率影響，避免了系統(tǒng)的崩潰。

圖6 輕載時(shí)動(dòng)態(tài)欠調(diào)諧控制的波形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以非接觸通用供電平臺(tái)為對(duì)象，研究系統(tǒng)中單個(gè)負(fù)載突然變動(dòng)或波動(dòng)較大時(shí)，對(duì)其他用電器的功率影響的問(wèn)題，利用一種新穎自維持動(dòng)態(tài)解諧控制方法，無(wú)需額外的控制電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠使負(fù)載的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)給定的期望值。最后，PSpice仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性。

圖7 動(dòng)態(tài)解諧欠調(diào)諧控制下在不同

負(fù)載時(shí)拾取側(cè)輸出電壓的仿真

圖8 動(dòng)態(tài)解諧欠調(diào)諧控制下在不同

負(fù)載時(shí)拾取側(cè)輸出功率的仿真

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作者簡(jiǎn)介

徐 磊 男，1980年出生，河南鄲城人，碩士，助教。主要研究方向?yàn)榉蔷€性理論及功率電子學(xué)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。