基于副邊半控整流的超級電容無線充電系統(tǒng)研究

李 巍

（中國鋁業(yè)股份有限公司連城分公司，甘肅連城730335）

1 引言

無線充電系統(tǒng)具備自動化充電，強環(huán)境適應(yīng)性和便捷性，能夠廣泛的應(yīng)用于電動車，便攜式設(shè)備和AGV 等以電池或超級電容為動力源的設(shè)備中[1]-[3]。以超級電容為例，為實現(xiàn)快速且高效的電能補充，往往需要恒流充電[4]-[5]。因此，有必要研究具備恒流充電能力的無線充電系統(tǒng)。本文設(shè)計一套基于副邊半控整流橋的恒流充電系統(tǒng)，通過PI算法調(diào)節(jié)半控整流橋的移相角度，控制充電電流。

2 電路結(jié)構(gòu)與理論分析

2.1 電路結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，本文提出的無線充電系統(tǒng)主要包括直流源，全橋逆變器（由四個MOSFET管S1～S4構(gòu)成），磁耦合機構(gòu)（由發(fā)射線圈L1，內(nèi)阻為R1和接收線圈L2，內(nèi)阻為R2構(gòu)成），串串補償結(jié)構(gòu)（由原邊補償電容C1和副邊補償電容C2），半控整流橋（由兩個MOSFET管Q1和Q2以及兩個二極管D1和D2構(gòu)成），容性濾波（由薄膜電容Co構(gòu)成）和超級電容（等效電路模型為串聯(lián)電阻Rs，理想電容C和等效并聯(lián)電阻Rs）。

霍爾電流傳感器1實時采集副邊諧振線圈中電流i2（t），用于同步副邊控制的PWM驅(qū)動信號。霍爾電流傳感器2實時采集直流輸出電流Io，通過PI算法控制半控整流橋，實現(xiàn)超級電容的恒流充電。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 半控整流橋分析

如圖2所示，相較于無線充電系統(tǒng)副邊控制中常用的Buck變換器而言，半控整流橋節(jié)省一個功率電容和薄膜電容，從而能夠有效地減小副邊成本、重量與體積。

圖2 副邊用恒流充電控制電路

為簡化分析，假定半控整流中的二極管和MOSFET損耗均可忽略不計；同時，濾波電容足夠大能夠維持恒定的輸出電壓。半控整流橋的工作波形如圖3所示，其中，i2為副邊諧振電流，ue為半控整流橋的輸入電壓，ue_FHA為ue的基波分量，PWM_1和PWM_2為MOSFET的驅(qū)動信號。

圖3 副邊半控整流橋的工作波形

分析圖3中波形可知：i2與ue的相位同步，從而Re為純阻性，保證副邊半控整流橋的高效率工作，其相應(yīng)的控制電路如圖4所示。

圖4 副邊半控整流橋的PWM驅(qū)動信號

根據(jù)圖3中工作波形，將半控整流橋的工作模式概括為表1。

表1 半控整流橋的工作模式

在一個工作周期內(nèi)，ue的狀態(tài)有三種，表達式為

其中，β是移相角度，Uo是超級電容的端電壓。基于基波分量分析法，ue的有效值為

由式（12）可知，通過調(diào)節(jié)β，即可實現(xiàn)ue的調(diào)節(jié)，從而控制傳輸?shù)匠夒娙莸墓β省８鶕?jù)功率平衡方程，ue推導(dǎo)為

2.3 充電電流分析

如圖1所示，根據(jù)互感電路模型和基爾霍夫電壓定律（KVL），并且假定發(fā)射線圈和接收線圈均處于諧振狀態(tài)，即（ω1和ω2為發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率），充電電流Io的表達式為

由式（4）可知，Io是β和Ro的函數(shù)。當(dāng)Ro變化時，通過調(diào)節(jié)β能夠控制充電電流的恒定。為直觀的分析式（4），采用 Simulink 仿真給出 Io與 β、Ro之間關(guān)系，仿真用參數(shù)與實驗系統(tǒng)參數(shù)一致，如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖5 充電電流仿真分析結(jié)果

由圖5可知，對于不同的互感值M，當(dāng)Ro變化時，通過調(diào)節(jié)β能夠控制充電電流。

3 Simulink閉環(huán)仿真分析

閉環(huán)仿真結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖4中的控制電路，當(dāng)Ro變化時，通過PI算法調(diào)節(jié)β實現(xiàn)超級電容的充電電流恒定，從而驗證基于副邊半控整流橋的恒流控制策略的可行性。

4 實驗驗證與結(jié)果分析

4.1 實驗裝置

如圖6所示，系統(tǒng)實驗裝置主要包括原邊控制器（用于產(chǎn)生驅(qū)動全橋逆變的四路PWM信號），全橋逆變，串傳補償電容，磁耦合機構(gòu)，副邊半控整流橋，控制器（用于產(chǎn)生半控整流橋的兩路PWM信號）和超級電容等。霍爾電流傳感器采集副邊諧振線圈電流和直流充電電流。

4.2 實驗驗證

副邊半控整流橋的工作波形如圖7所示，實驗波形由泰克示波器MDO3045B測得。由圖7（a）可知，半控整流橋的輸入電壓和輸入電流同相位，與前述理論分析一致。由圖7（b）可知，在40s的時間內(nèi)，充電電流為 3.01A，超級電容電壓由 10.1V 增加至 22.4V。

圖6 系統(tǒng)實驗裝置

圖7 半控整流橋的實驗波形

如圖8所示，互感值變化時，系統(tǒng)依舊能夠?qū)崿F(xiàn)超級電容的3 A恒流充電。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計一套超級電容的恒流無線充電系統(tǒng)，基于副邊半控整流橋，通過PI算法控制移相角度，實現(xiàn)超級電容的3 A恒流充電。

圖8 互感值動態(tài)變化時，恒流充電的實驗波形