自適應頻率跟蹤無線充電最大效率傳輸關鍵技術研究

廖仕利 張玲珺 王鏡生 魏洪亞 胡力中 唐旭

摘?要：為提高無線充電系統不同設備間的匹配效果，實現每個設備均以最大效率、最大功率充電，采用利用PP諧振，創新性的設計了動態自適應頻率跟蹤、三線圈并聯發射、雙線圈并聯均流接收以及四象限高效率buck-boost等技術，實現了多設備匹配自適應最佳頻率同時快速無線充電，已獲得3項發明專利、3項實用新型專利。

關鍵詞：無線充電;效率;動態頻率跟蹤技術;并聯發射

中圖分類號：TP393?文獻標識碼：A

無線充電技術就目前發展形勢來看，其主要應用領域主要集中在電子產品充電和新能源充電汽車兩個方面，但由于無線充電技術的巨大發展潛能及優勢，未來，該技術必定會應用到自動化生產設備、醫療設備，以及軍事應用等各個方面。目前人們主要提出了四種無線電能傳輸原理，分別為、電磁感應、磁耦合諧振、無線電波電能傳輸以及無線超聲波功率傳輸。電磁感應式由于原理簡單且容易制作在市面上最為普及，但由于其傳輸距離嚴重受限而導致推廣停滯不前[1-3]。

這種技術是非常安全的，并且接收器的價格也很便宜，體積也小，除了無線充電，還可以實現數據的傳輸。只不過，其最終的產品無法在價格、功率、速度和安全等方面達到預期。為克服這些缺點，在磁耦合諧振原理的基礎上利用DC-AC裝置、PWM波整流裝置和自動升降壓裝置共同完成雙向無線充電功能。雙向充電模式，使得裝置既能作為發射端，也可以作為接收端，使系統能根據負載要求進行自動升降壓，進而完成雙向無線充電功能。同時本裝置可以適應不同的機型，兼容性強，解決了充電設備與充電用戶只能一一對應的單一化問題，還能一并解決由線路引發的安全問題和電力資源浪費問題，大大的提高了無線充電裝置的充電效率，突破了現有無線充電產品效率和功率不能很好的兼顧從而導致充電速率低的局限。

1 系統方案設計

輸出端運用同步整流技術，接收端再通過頻率跟蹤技術反饋到發射端，使其達到最大效率，本項目最終到達的功率遠遠高于現有市場同類型產品。

雙向非接觸式充電系統核心部分包括DC-AC，PP諧振，PWM整流電路以及自動升降壓等裝置。DC-AC裝置將直流穩壓電源轉換成交流電，PP諧振實現無線電能傳輸，自動適應裝置自適應負載。

在功率達到快充的標準上，增加了快充識別芯片，能識別高通QC 3.0/2.0、華為以及其他幾類廠商的快充協議，并使用最大效率動態自適應頻率算法調整輸入輸出諧振頻率以達到最大效率點。

2 核心三線圈發射主電路設計

三線圈并聯發射部分是發射端中至關重要部分，電路圖如圖2三線圈并聯發射電路圖所示，在此電路中，通過默認可控電源輸出供電，并通過控制電路輸出的控制信號共同完成最大效率頻率跟蹤。在LC諧振元件參數選擇中，通過詳細公式計算輔以大量實驗，最后選取到至今為止效率最高功率最大的參數進行設計。由于與公司簽訂合同原件參數不宜標出，所以重要元件參數已刪去。

在LC參數整定中，尤為關鍵因素為：在電感不同耦合狀態下，電感值均會發生變化。因此給本實驗帶來很大困擾，尤其是變量中兩線全平行距離的問題，即在不同輸入電壓等級下會有不同的最適距離。因此本項目設計了一種最大效率跟蹤算法，使之在不同位置以及不同充電條件下實時跟蹤最大效率點。

在該電路中，為減少MOSFET發熱以至于引起不安全因素，所以使用電壓關斷型的緩沖電路來轉移MOSFET部分發熱。并且為避免輸入信號浮空時MOSFET直通，所以為MOSFET設置下拉電阻。

3 自適應控制系統設計

3.1 算法設計

通過大量實驗，去測試不同電量不同頻率工作下的效率，發現同一個電量水平，不同的諧振頻率會導致不同的充電效率和充電功率。在同一個諧振頻率時，不同電量水平下也會有不同的充電效率和充電功率。實際工作中，最佳的諧振點會隨著電量的改變而不斷變化，從而導致充電全過程中只有很小的一段時間以最大效率、最佳功率充電。因此，欲達到實時最大效率的結果，需實時調整諧振頻率。設計了一種實時跟蹤最大效率的諧振頻率算法，用來保持充電效率時刻在最大值。在多次測量之中得到大量數據。

最佳效率跟蹤依靠調節發射端的工作頻率來實現。設諧振頻率f1=200KHz，復雜（如手機充電設備）接入開始充電后，系統工作電流I1變化會引起頻率偏離諧振點（由于阻抗的改變，并且I1變化會持續影響阻抗的變化）。頻率偏離諧振點越遠，傳輸的電能就越小。控制電流在最小的情況下，改變諧振頻率，從而達到最大效率。在改變系統工作頻率的過程中，系統的占空比保持50%不變，只有當工作頻率達到上限時，才會通過減小占空比來減少能量的傳輸。

3.2 程序設計

如圖3所示，通過采集機構實時采集發射端輸入電壓與電流值，通過藍牙與接收端通信，獲取接收端輸出電壓與電流值，下位機有處理器控制執行機構穩定輸出電壓和電流值，發射端通過執行機構改變諧振頻率，通過比較器得到發射端輸入電流偏差值，在電流值達到最小時，則達到了當前諧振最佳頻率點，此時的系統的互感與阻抗匹配效果最好，效率達到最大。

4 測試及結果

目前無線充電普遍用的協議是QI標準，QI標準的充電最大電流僅為1A，輸出功率僅為5W，同時效率也不如有線的快充QC3.0標準。基于QC3.0的有線快速充電的效率可達90%左右，因此在某種程度上也解釋了無線充電技術遲遲沒有得到大規模推廣的原因。經過測試，本設計在突破QI標準的局限下使得充電效率可以達到90%以上，輸出功率可達27W，實現了匹配QC3.0標準。

5 結論

本設計在前輩研究的基礎上，利用DC-AC，PP諧振，最佳頻率跟蹤技術以及四象限自動升降壓等裝置設計了雙向非接觸式充電系統，采用了三線圈并聯發射、雙線圈并聯接受方式，大大提高了充電效率低、改善了發熱嚴重等問題，并且以“互聯網+”為基礎，建立了云端充電管理系統，使充電效率、數據線、充電用戶數量等資源浪費問題得到很大的改善。

參考文獻：

[1]耿宇宇，楊中平，林飛，等.基于多接收耦合線圈模式的無線電能傳輸系統特性分析[J].電工技術學報，2017（S2）.

[2]溫艷，邵毅.多耦合線圈自動切換技術的無線電能傳輸系統[J].電源學報，2014（03）.

[3]周宇翔，陳希有，李冠林，等.利用單端口阻抗測量值和靈敏度分析的耦合線圈參數辨識[J].中國電機工程學報，2016（18）.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（2019CX117）;重慶市技術創新與應用發展專項面上項目（cstc2019jscx-msxmX0003）

作者簡介：廖仕利（1970—），男，四川仁壽人，碩士，副教授，主要從事控制科學與工程領域、無線充電領域研究。