基于能量傳輸通道的IPT系統(tǒng)非法負(fù)載檢測(cè)技術(shù)

孫 躍 蔣 成 王智慧 戴 欣

（1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400044 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

感應(yīng)電能傳輸技術(shù)（Inductive Power Transfer），簡(jiǎn)稱IPT技術(shù)，是一種通過(guò)電磁耦合以非接觸式方式向負(fù)載傳遞能量的一項(xiàng)新技術(shù)。感應(yīng)耦合電能傳輸過(guò)程為：利用諧振變換器將直流電變換為高頻交流電，注入原邊能量發(fā)射線圈（或?qū)к壘€圈），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，該線圈在附近將激發(fā)出相同頻率的交變磁場(chǎng)，然后處于該磁場(chǎng)中的副邊能量接收線圈上將感應(yīng)出電壓，該電壓經(jīng)功率調(diào)節(jié)后輸出給用電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。當(dāng)系統(tǒng)有異物（尤其是金屬）進(jìn)入工作范圍時(shí)，由于高頻磁場(chǎng)的存在必定會(huì)在金屬內(nèi)形成渦流，不僅降低了效率，而且金屬的渦流發(fā)熱還將給系統(tǒng)帶來(lái)巨大的安全隱患。

在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)（IPT）系統(tǒng)中，現(xiàn)有的負(fù)載識(shí)別方法主要是通過(guò)RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1,2]。該方法是在合法負(fù)載上添加 RFID標(biāo)簽，當(dāng)系統(tǒng)沒有檢測(cè)到RFID信號(hào)時(shí)逆變器停止工作，即IPT系統(tǒng)停止工作。然而，IPT系統(tǒng)在能量傳輸過(guò)程中存在的高頻磁場(chǎng)將會(huì)對(duì) RFID反饋信號(hào)造成干擾，這就可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤讀誤判，降低了負(fù)載識(shí)別的正確率。因此，本文提出了一種高識(shí)別率的非法負(fù)載檢測(cè)的方法，本方法是將負(fù)載識(shí)別信號(hào)調(diào)制到系統(tǒng)原邊輸入電流上，在原邊對(duì)識(shí)別信號(hào)解調(diào)后，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載辨識(shí)。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于，負(fù)載辨識(shí)信號(hào)不需要通過(guò)額外的耦合線圈傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中的干擾，提高了識(shí)別率。

2 電流型IPT系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

IPT系統(tǒng)拓?fù)涓鶕?jù)原邊和副邊諧振方式的不同可以分為PP、PS、SP、SS型四種基本類型。本文以PS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，研究其非法負(fù)載檢測(cè)方法。PS型IPT系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 PS型IPT系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Parallel-series resonant topology of IPT system

PS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為原邊和副邊兩大部分。在原邊部分，直流電源Edc與直流電感Ldc一起構(gòu)成準(zhǔn)電流源[3]。S1-S44個(gè) IGBT開關(guān)構(gòu)成全橋逆變網(wǎng)絡(luò)，所形成的2個(gè)開關(guān)對(duì)（S1，S4）和（S2，S3），以互補(bǔ)的形式產(chǎn)生方波逆變輸出。能量發(fā)射線圈 Lp和諧振電容 Cp構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)具有短路保護(hù)可靠性高的特點(diǎn)。在副邊部分，能量拾取線圈Ls和諧振電容Cs構(gòu)成接收諧振網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)過(guò)整流和濾波后向負(fù)載RL供電。

3 非法負(fù)載識(shí)別

3.1 原邊輸入電流和負(fù)載的關(guān)系分析

在IPT系統(tǒng)中，副邊對(duì)原邊部分的耦合作用直接體現(xiàn)為副邊反射回原邊的反射阻抗，該反射阻抗直接作用于系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振參數(shù)發(fā)生漂移[4]。因此，對(duì)反射阻抗的識(shí)別就顯得很重要。

反射阻抗Zr由無(wú)功部分jωLr和有功部分Rr組成：

其中，有功部分Rr上消耗的功率即為副邊在原邊部分中產(chǎn)生的耗散功率，而其無(wú)功部分jωLr產(chǎn)生能量的儲(chǔ)存或釋放，不產(chǎn)生能量的耗散[5,6]。

定義系統(tǒng)的供給函數(shù)S(Edc,Idc)為系統(tǒng)的輸入能量，可表示為[7]：

定義系統(tǒng)的耗散函數(shù)W(i,R)為系統(tǒng)的耗散能量，可表示為[7]：

由能量平衡關(guān)系可知，系統(tǒng)的輸入能量等于系統(tǒng)的耗散能量，即：

對(duì)于副邊串聯(lián)諧振拓?fù)洌边呑杩篂椋?/p>

因此副邊反射回原邊的反射阻抗為：

其中，R1為整流濾波加負(fù)載RL的等效電阻，可以近似表示為：

聯(lián)立式（5）和式（6）可得反射阻抗Zr的實(shí)部為：

為使系統(tǒng)傳輸功率最大化，則系統(tǒng)應(yīng)工作在副邊固有諧振頻率點(diǎn)上，即：

將式（9）帶入式（8），式（8）可寫成：

由于原邊電感的值一般為100uH到200uH，系統(tǒng)工作頻率一般為20K赫茲左右，且因?yàn)橄到y(tǒng)是松耦合系統(tǒng)，故耦合系數(shù)k一般為0.1到0.3之間，因此可得以下關(guān)系[8]：

由式（11）可知，當(dāng)輸入電壓Edc保持不變時(shí)，則可認(rèn)為諧振電流為一個(gè)定值，其大小：

聯(lián)立式（2）、（3）、（4）、（10）和（12），可得：

化簡(jiǎn)式（13）可得:

由上式可知，Edc，Rdc，Rp，W0，M，Rs，Lp都為已知量，因此可得輸入電流Idc和負(fù)載RL的關(guān)系。

為了直觀表示輸入電流Idc和負(fù)載RL的關(guān)系，取表 1所示諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，得到原邊輸入電流Idc隨負(fù)載RL變化的曲線如圖2所示。

表1 PS諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表Tab.1 Parameters table of parallel-series resonant network

圖2 原邊輸入電流和負(fù)載的關(guān)系Fig.2 The relationship of the primary input current and load

3.2 非法負(fù)載的識(shí)別方法

基于幅值調(diào)制ASK的思想，提出一種IPT系統(tǒng)非法負(fù)載檢測(cè)方法。該方法原理圖如圖3所示。通過(guò)預(yù)設(shè)一個(gè)頻率為f1的方波信號(hào)調(diào)制在副邊負(fù)載上，控制負(fù)載也以頻率f1進(jìn)行通斷，當(dāng)系統(tǒng)初始化運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的通斷將會(huì)在原邊直流輸入電流上解調(diào)出一個(gè)接近于頻率為f1的方波，記該方波頻率為f2。當(dāng)系統(tǒng)在初始工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)原邊輸入電流的方波頻率，與預(yù)設(shè)信號(hào)的頻率進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)原邊直流輸入電流的頻率檢測(cè)值與預(yù)設(shè)信號(hào)的頻率之差的絕對(duì)值小于或等于一個(gè)約為零的極小容限值時(shí)，則負(fù)載為合法負(fù)載，否則，即為非法負(fù)載。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)載辨識(shí)信號(hào)不需要額外的耦合線圈進(jìn)行傳遞，而是直接在能量傳輸通道上傳遞，將負(fù)載辨識(shí)信號(hào)反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中磁場(chǎng)的干擾，提高了識(shí)別率。

圖3 IPT系統(tǒng)非法負(fù)載檢測(cè)原理圖Fig.3 The schematic diagram of illegal load identifying of IPT system

系統(tǒng)非法負(fù)載識(shí)別的工作流程圖如圖4所示，其中ε為約為零的極小容限頻率值。

圖4 非法負(fù)載識(shí)別流程圖Fig.4 The flow diagram of illegal load identifying

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證識(shí)別模型的有效性，在Simulink環(huán)境中搭建了仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，負(fù)載RL取30Ω，系統(tǒng)其它參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖5，圖6，圖7所示。

圖5 頻率為500Hz時(shí)的波形Fig.5 The waveform when a frequency of 500Hz

圖6 頻率為100Hz時(shí)的波形Fig.6 The waveform when a frequency of 100Hz

圖7 頻率為10Hz的波形Fig.7 The waveform when a frequency of 10Hz

由圖5，圖6，圖7的分析可知，當(dāng)負(fù)載切換頻率過(guò)快（500Hz）時(shí)，由于電感中的電流不能突變，原邊輸入電流未呈方波波形；當(dāng)切換頻率減小時(shí)，頻率為100Hz時(shí)，原邊輸入電流呈現(xiàn)方波波形，但在過(guò)零點(diǎn)處存在較大的震蕩，易造成檢測(cè)的誤差；當(dāng)切換頻率為10Hz時(shí)，原邊輸入電流呈現(xiàn)和負(fù)載切換頻率一致的方波。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)降低負(fù)載切換頻率，以提高頻率檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文給出了一種新型的IPT系統(tǒng)非法負(fù)載檢測(cè)方法，通過(guò)分析電流型 IPT系統(tǒng)的特性，得到了原邊輸入電流和負(fù)載成反比的關(guān)系，從而通過(guò)對(duì)負(fù)載進(jìn)行通斷調(diào)制和原邊輸入電流的解調(diào)判斷負(fù)載的合法性。本文所設(shè)計(jì)的方法不需要負(fù)載辨識(shí)信號(hào)通過(guò)額外的耦合線圈進(jìn)行傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳統(tǒng)方法傳遞中的干擾問(wèn)題，提高了識(shí)別率。該方法普遍適用于傳統(tǒng)的IPT拓?fù)洌枰獫M足輸入電壓和諧振電流恒定的條件，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，對(duì)提高IPT系統(tǒng)的安全性具有一定的價(jià)值。

[1] 荊曉博,陳啟軍.基于 RFID技術(shù)的多負(fù)載無(wú)線供電系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007,4:44-45.

Jing Xiaobo,Chen Qijun.RFID based multi-load wireless powering system design[J].Modern Scientific Instruments,2007,4:44-45.

[2] 許旻.物聯(lián)網(wǎng)下 RFID的架構(gòu)及應(yīng)用分析[J].科技通報(bào),2013,29(12):140-141.

Xu Min.The analysis of RFID architecture and application in internet of things[J].Bulletin of Science and Technology,2013,29(12):140-141.

[3] A P.Hu,J.T.Boys,G.A Covic.ZVS frequency analysis of a current-fed resonant converter.IEEE Power Electronics Conf,2000:217-221.

[4] Yun Sun,AP.Hu,Xin Dai Yugang Su.Discrete time mapping modeling and bifurcation phenomenon study of a ZVS converter.IEEE Power Conf,2004,pp:1015-1018.

[5] 戴欣,孫躍.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)能量注入控制方法研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(1):70-72.

Dai Xin,Sun Yue.Study on energy injection control method for inductive power transfer system[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2011,40(1):70-72

[6] Dai Xin,Sun Yue,Tang Chunsen,et al.Dynamic parameters identification method for inductively coupled power transfer system.IEEE Sustainable Energy Technologies Conf,2010,pp:1-5.

[7] 戴欣,孫躍,蘇玉剛,等.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)與恒流控制[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(6):99-100.

Dai Xin,Sun Yue,Su Yugang,Wang zhihui,Tang Chunsen.Study on constant current control of inductive power transfer with parameter identification[J].Journal of Chongqing University,2011,34(6):99-100.

[8] Zhi-hui Wang,Xiao Lv,Yue Sun,Xin Dai,Yu-peng Li.A Simple Approach for Load Identification in Current-Fed Inductive Power Transfer System.IEEE Power System Technology Conf,2012,1-5.