松耦合感應電能傳輸恒功率輸出控制策略

李 曜 龔中良

(中南林業科技大學機電工程學院,湖南 長沙 410004)

松耦合感應電能傳輸恒功率輸出控制策略

李 曜 龔中良

(中南林業科技大學機電工程學院,湖南 長沙 410004)

在一些松耦合感應電能傳輸技術應用領域，需保持負載功率恒定不變。松耦合變壓器的初、次級線圈相對位置的變化將會引起松耦合線圈間的互感發生變化，導致次級回路的負載功率發生相應變化。通過對松耦合感應電能傳輸系統的分析，對恒功率無線能量傳輸的恒功率補償策略進行了研究，提出了兩種恒功率控制策略。同時，利用PWM控制實現了逆變器輸出電壓的自動調節，為負載恒功率輸出控制電路設計奠定了基礎。

無線能量傳輸 恒功率控制 PWM控制 互感 反饋調節 穩壓控制

Voltage stability control

0 引言

隨著對無線電能傳輸的深入研究，新型的能量傳輸方式——松耦合無線能量傳輸應運而生,并得到了初步應用，如無線充電器[1-2]、電動車充電[3-4]、植入式醫療裝置[5-6]等，但還不夠成熟。

在國內,目前對無線電能傳輸技術的研究處于起步階段,研究方向主要還處于理論研究階段，集中在系統建模、變壓器參數設計、諧振頻率以及補償電路、傳輸系統分析等方向。如武瑛分析研究了系統補償拓撲、運行頻率及負載參數對系統性能的影響[7]；龐明鑫基于 ANSOFT Maxwell 2D 仿真軟件,分析了制約松耦合感應能量傳輸系統傳輸效率的關鍵因素[8]；吳嘉迅利用互感原理和耦合理論對傳輸效率進行了推導，得出了諧振頻率、線圈互感、線圈品質因數等影響傳輸效率的關鍵因素[9]；張峰著重對影響系統功率傳輸能力的耦合系數進行了研究[10]；鄭穎楠[11]對影響松耦合變壓器的耦合系數的磁芯材料、磁芯形狀、繞組位置、氣隙大小等主要因素進行了仿真分析；Huang[12]對電動汽車電池充電的 IPT 系統要考慮的實際問題進行了分析研究。

顯然，上述針對松耦合無線能量傳輸系統的功率輸出特性及保證輸出功率恒定等方面的研究甚少。實際上，許多設備在使用過程中，初、次級線圈的相對位置是不斷變化的，如人工心臟的體外機與體內機在工作時就不可能保證兩者之間的位置恒定，而體內機所需的功率要保證基本恒定。因此，在研究松電磁耦合能量傳輸特性的基礎上，制定恒功率無線能量傳輸的功率補償策略很有必要。

1 恒功率輸出控制策略

設原邊繞組角頻率為ω，電流有效值為IP，根據耦合關系，二次側電路接受繞組將會感應出電壓U=jωMIP,相應地，諾頓等效電路短路電流為：

(1)

則副邊功率為：

(2)

式中：Q為品質因數；M為互感。

根據文獻[13]可知，互感為：

(3)

故當松耦合變壓器其他參數不變,空間線圈距離d發生變化時，互感M發生變化，功率PS也發生相應變化。

本文主要考慮當原、副邊線圈位置發生相對變化時(小范圍內)，其他參數不變的情況下，負載恒功率輸出的控制策略。假設松耦合感應電能傳輸系統設計時，原、副邊線圈位置一定，正好滿足負載的額定功率。當原、副邊線圈間的相對位置增大時，互感將變小,由式(2)可知副邊線圈接收到的功率PS會小于負載額定功率PR。為使負載功率PR恒定，需對副邊功率進行補償。

1.1 閉環反饋控制

控制原理如圖1所示。功率監視芯片MAX4211將采集得到的表示負載電流和電壓的電壓值，通過乘法器相乘得到表示功率的電壓值輸出。輸出電壓的計算公式為:UPOUT=AVURUIN。其中UPOUT為功率監視器的輸出電壓，AV為功率監視器中放大器增益值，UR為采樣電阻R兩端的電壓值，UIN為功率監視器的輸入電壓。

圖1 閉環反饋恒功率控制原理圖

將采集到的電壓UPOUT與參考電壓比較，經比較器處理之后送入PWM控制芯片的電壓反饋端,由內部放大器放大,經內部濾波器濾波后輸出。調整高頻逆變器開關的導通時間，提高輸入電壓，從而增大副邊的感生電動勢，使負載功率保持不變。原、副邊可采用無線通信技術實現功率監視采集信息的傳遞。

1.2 原邊反饋控制

由式(1)可知，調節原邊線圈電流IP的大小可以改變副邊線圈獲得的感生電動勢，從而調節負載獲得的功率。通過仿真測試原、副邊線圈的相對位姿發生變化，得到原邊電流IP與互感M(相對位置)的變化關系。在此基礎上，檢測原邊電流IP便可知兩線圈的相對位置關系，即可知此時兩線圈的互感M，同時也可得到副邊電流IS的大小。故可采集原邊電流IP，根據已知的IP與互感M的關系，確定互感M值。要保證負載功率恒定不變，只要保證副邊電流IS大小不變即可。將采集到的原邊電流IP轉化成電壓后與參考電壓比較，經比較器處理之后送入PWM控制芯片的電壓反饋端,由內部發射放大器放大,經內部濾波器濾波后輸出,提高原邊電流IP，使副邊電流IS大小不變，即負載功率恒定。

原邊反饋控制原理圖如圖2所示。

圖2 原邊反饋控制原理圖

閉環反饋控制直接通過監測負載的功率變化來實時調整原邊輸入電流，方法簡單、穩定，但是原、副邊是相對分離的，故給原、副的信息通信需采用無線通信，增加了電路設計的難度與復雜性。而原邊反饋控制直接通過檢測原邊電流的變化，電路簡單。

次級電路接收到感應電壓后,經過整流電路將交流電壓變為直流電壓為負載供電。為保證輸出功率的穩定性,在整流電路中增加了電壓調整電路,本文采用串聯反饋穩壓電路來實現穩壓控制。穩壓控制電路如圖3所示。

圖3 穩壓控制電路

穩壓控制輸出分析。當負載兩端電壓變化時，ζΡΛ↑?ζΡ3↑?ζΦ↑?ζΒ↓?ΙΧ↓?ζΧΕ↑?ζΡΛ↓；反之，當VRL減小時，經過此電路可使VRL增大，從而達到一個動態穩定。負載在一個動態穩定的功率下工作。

2 補償控制設計

改變逆變器的通斷時間便可改變輸出電壓大小，即改變PWM控制器的占空比。圖4為逆變器電流測量電路。通過PWM控制器改變占空比來控制IGBT的通斷時間，從而改變輸出電流的大小。

圖4 全橋逆變電路

全橋逆變電路通過PMW脈沖發生器來控制全橋逆變器的4個IGBT的控制腳g，從而控制IGBT的導通時間。圖4中,PWM 脈沖發生器可直接改變輸出脈沖的占空比，或在有輸入電壓時，可經內部比較后，使輸出脈沖占空比隨著輸入電壓的變化而變化。圖5、圖6為全橋逆變電路在不同占空比時輸出電流隨時間的變化關系仿真圖。由圖5和圖6可知，在其他參數保持不變的情況下，當占空比改變時，輸出電流會發生相應的變化，輸出電流隨占空比的增大而增大。

改變占空比即可改變輸出電流的大小。當負載功率發生變化時，可改變逆變輸出的電流大小來保持負載功率恒定。通過監視檢測負載的功率，并轉化成相應的電壓送入PWM控制的電壓反饋端，與參考電壓比較后，實時改變PWM控制器的占空比，從而提高原邊電流，使負載功率保持恒定輸出。電路如圖7所示。

圖5 占空比為0.6時輸出電流隨時間的變化關系

圖6 占空比為0.8時輸出電流隨時間的變化關系

圖7 恒功率反饋控制電路

恒功率反饋控制電路通過電壓測量負載RL兩端的實時電壓，并將其送入PWM 調節器的電壓輸入端與參考電壓比較后，改變輸出脈沖的占空比，從而改變全橋逆變器IGBT的控制腳g的輸入脈沖，最終改變逆變器的輸出電流。

3 結束語

在很多應用場合，松耦合變壓器的原、副邊線圈的相對位置是變化的，恒功率輸出控制對于無線能量傳輸具有重要意義。在對松耦合無線能量傳輸系統的深入研究的基礎上，提出了兩種能滿足負載恒功率輸出的控制策略，對負載恒功率輸出控制電路進行了設計。但對于電路的干擾沒有考慮，可對此電路進一步改進設計。

[1] Dai D,Liu J.Design of apractical human-powered contactless charger for cellphone[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2013,59(3):476-482.

[2] 李娟,鄭美芬,張宇,等.無接觸手機充電平臺的設計[J].機電工程，2012,29(1):90-93.

[3] 姜竹勝,陳軍.無線充電技術在電動汽車上設計及應用[J].電氣時代，2012,5:26-29.

[4] Lee S.Dynamics characterization of the inductive power transfer system for online electric vehicles by Laplace phasor transform[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(12):5902-5909.

[5] 熊慧,陳旭,劉俊利.高效率醫療植入式刺激裝置無線充電系統[J].電源技術與應用，2012,38(12):54-56.

[6] 李楊,黃平.多維無線能量傳輸體內微機電系統的設計與實驗研究[J].現代制造工程,2010(7):101-104.

[7] 武瑛,嚴陸光,黃常綱.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術，2003，22(4):11-13.

[8] 龐明鑫,高曉旭,王時英.松耦合感應式電能傳輸技術的應用研究[J].機械工程與自動化,2010(5):121-123.

[9] 吳嘉迅,吳俊勇,張寧.基于磁耦合諧振的無線能量傳輸的實驗研究[J].現代電力,2012,29(1):24-28.

[10]張峰,王慧珍.非接觸感應能量傳輸系統中松耦合變壓器的研究[J].電源技術應用,2007,10(4):54-58.

[11]鄭穎楠,陳紅,張西恩.非接觸電能傳輸系統的松耦合變壓器實驗研究[J].電工電能新技術,2011,30(1):64-67.

[12]Huang Changyu,Boys J T,Covic G A,et al.Practical considerations for designing IPT system for EV battery charging[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,2009:402-407.

[13]黃詩宗,湯寧平.基于磁耦合諧振無線能量傳輸系統傳輸效率的研究[J].電氣技術,2013(2):23-26.

Constant Power Output Control Strategy for Loosely Coupled Inductive Power Transmission

In some of the application areas of loosely coupled inductive power transmission technology, constant load power needs to be maintained. The changes of the relative position between the primary and secondary coils of loosely coupled transformer may cause mutual inductance between the loosely coupled coils change, thus the load power of the secondary loop changes. Through analyzing the loosely coupled inductive power transmission system, the constant power compensation strategy of the constant power wireless energy transmission is researched, and two kinds of such strategies are proposed. In addition, the automatic regulation of the output voltage for inverter is implemented by using PWM control; this laid the foundation for designing load constant power output control circuit.

Wireless energy transfer Constant power control PWM control Mutual inductance Feedback regulation

湖南省科技計劃基金資助項目(編號：2012GK3144)；

湖南省研究生科研創新基金資助項目(編號：CX2014B336)；

中南林業科技大學研究生科技創新基金資助項目(編號：CX2014B12)。

李曜(1989-)，男，現為中南林業科技大學機械工程專業在讀碩士研究生；主要從事機械電子方面的研究。

TM45

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505004

修改稿收到日期：2014-11-08。