雙發射無線電能傳輸系統的同步控制策略研究

摘要：在無線電能傳輸系統的設計中，為了提升系統的功率傳輸能力以及降低功率變換器件上的電壓電流應力，筆者設計了一種雙發射無線電能傳輸系統，該系統有2種工作模式：休眠工作模式和增強工作模式。當接收端所需功率較低時，其中1個發射端在休眠工作模式，僅由另外1個發射端為接收端提供能量；當接收端所需功率較高時，該發射端由休眠工作模式切換到增強工作模式，連同另外1個發射端一起為接收端提供能量。除此之外，針對2個獨立發射端逆變器的輸出電壓相位不一致帶來的能量抵消問題，筆者提出同步控制方法使二者保持同步以提升系統的功率傳輸能力，通過實驗驗證了所提方案的可行性和有效性。

關鍵詞：無線電能傳輸；雙發射；傳輸功率提升；同步控制

中圖分類號：TM152 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）12-114-10

Synchronization control strategy for dual-transmitter wireless power transfer system

CHEN Yongming1， YANG Ru1， JIANG Cheng2

（1. State Grid Zhenjiang Power Supply Company， Zhenjiang， Jiangsu 212000， P. R. China； 2. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， P. R. China）

Abstract： In wireless power transfer（WPT） system design， incorporating multiple transmitters can improve power transmission capacity and reduce voltage and current stress on power conversion components. This paper proposes a dual-transmitter WPT system featuring two operational modes： standby and strengthening. When the receiver requires low power， one transmitter operates in standby mode， while the other provides power to reduce system losses. When the receiver’s power demand increases， the system switches from standby to strengthening mode， with both transmitters supplying power to the receiver. Additionally， to address energy cancellation caused by phase inconsistencies in the output voltages of the two transmitter inverters， a synchronization control method is introduced， ensuring synchronized operation and boosting system power capacity. Experimental results confirm the feasibility and effectiveness of the proposed method.

Keywords： wireless power transfer； dual-transmitter； power transfer enhancement； synchronization control

隨著無線電能傳輸（wireless power transfer， WPT）技術的日趨成熟，這項技術已被廣泛應用于廚房用品、智能家居、無人機等領域。傳統的WPT系統多采用單發射單接收的方式，但是當WPT系統應用于大功率的場合時，例如電動汽車[1-2]等，通常會遇到功率傳輸能力有限，器件的電壓電流應力較大等問題，為此，目前多采用多個發射單元來提升WPT系統的功率傳輸能力[3-4]。

目前關于雙發射以及多發射WPT系統的研究主要集中在提升系統的傳輸功率和效率，以及改善系統的性能。文獻[5]采用多個重疊的線圈構成WPT系統的發射線圈，提升系統的傳輸性能，通過在發射單元添加附加電容減小多個發射線圈之間的交叉耦合。文獻[6]中提出一種全橋雙諧振補償拓撲結構，該拓撲結構可提高WPT系統在失諧條件下的傳輸效率。針對單發射WPT系統隨著傳輸距離的增加和頻率分裂導致的傳輸效率和輸出功率急劇衰減問題，文獻[7]采用了多發射WPT技術提高了系統的傳輸效率和輸出功率。針對WPT系統中線圈之間徑向位移對輸出電壓的影響，文獻[8]通過分析線圈位移與輸出電壓之間的關系，在陣列式的線圈上實現了不同位移條件下的恒壓輸出。與單發射WPT系統相比，文獻[9]設計的雙發射WPT系統可增加系統的縱向傳輸距離，且在臨界耦合區域內有效擴大系統的橫向傳輸范圍。在WPT系統中應用多個發射單元，除了提高系統的功率傳輸能力外，適應接收線圈的角度變化[10]，提高系統的可靠性[11]，降低系統功率損耗[12]，在不增加系統功率變換器件上電壓和電流應力的情況下提高系統的功率和效率[13]。文獻[14]設計了一種由平面內4個交錯重疊放置的線圈構成的原邊發射線圈，該線圈在平面內產生二維或三維的旋轉磁場，接收端在此范圍內任意方向移動時都可以實現高效的能量供給。在文獻[15]所設計的多發射單接收WPT系統中，通過采用LCCL-LC的諧振補償網絡，以及所建立的系統阻抗分析模型，在6.78 MHz的WPT系統中實現了零電壓開通，提升了系統的傳輸效率。文獻[16]提出了一種應用于雙發射雙接收WPT系統的負載識別和功率分配方法，通過調節發射端的諧振頻率實現了輸出功率的自由分配，并能在負載變化的情況下實現功率的穩定傳輸。針對動態WPT系統中相鄰導軌之間的交叉耦合問題，文獻[17]通過對系統進行建模分析，以及對諧振補償網絡進行優化，實現了系統整體的高效率傳輸。文獻[18]提出了一種應用于WPT系統的磁場編輯技術，通過采用多個發射線圈對磁場進行編輯和約束，從而實現了能量傳輸路徑的延伸。針對多發射WPT系統中線圈之間的交叉耦合問題，文獻[19]提出了一種新穎的解耦策略，有助于WPT系統的模塊化設計。文獻[20]以實現能量的最大效率傳輸為目標，提出一種根據線圈之間的耦合系數來選擇不同線圈作為發射線圈的策略，從而在多發射WPT傳輸系統中實現了能量的高效率傳輸。

綜上所述，目前所研究的雙發射和多發射WPT系統多用來提升系統的功率傳輸能力，但是當接收端所需功率較小時，仍采用多發射的方式將帶來能量浪費。不同于以往的雙發射和多發射WPT系統，研究提出的雙發射無線電能傳輸（dual-transmitter wireless power transfer， DT-WPT）系統不僅可以提升系統的功率傳輸能力，且當發射端所需能量較低時，系統可以在休眠工作模式運行，降低系統損耗。當接收端所需能量增大時，系統可以從休眠工作模式動態切換到增強工作模式，提升系統的發射功率，除此之外，本文提出了一種同步控制方法使2個相互獨立發射端逆變器的交流輸出電壓保持同相，有效避免DT-WPT系統由于2個發射單元相位不一致帶來的能量抵消。除了雙發射WPT系統之外，所提出的同步控制策略也可以應用到更多發射單元，進一步提升系統的功率傳輸能力，根據接收端的能量需求對發射端傳輸的能量進行有效調節。

1 DT-WPT系統建模及2種工作模式

圖1展示了所提出的DT-WPT系統的原理圖，系統包含2個發射端（發射端1和發射端2）和1個接收端，每個發射端均由3部分組成：直流電源、全橋變換器和諧振補償網絡。為方便分析系統，給出基本定義。每個發射端的直流輸入電壓被表示為Udci（i=1，2），系統的工作頻率被表示為f，角頻率為ω（ω=2πf）。2個發射端采用LCC（L11-C11-C12-L12和L21-C21-C22-L22）的拓撲結構，接收端采用串聯連接（L32-C32）的拓撲結構，線圈自感分別為L12，L22和L32，線圈內阻分別被表示為RL12，RL22和RL32，線圈之間的互感被表示為M12，M13和M23，負載電阻被表示為R。

在圖1所示的系統中，當系統各部分諧振網絡的參數滿足公式（1），那么系統將表現為純阻性。

1.1 休眠工作模式

如圖2（a）所示，當發射端2逆變器的S23/S24導通時，發射端2工作在休眠工作模式。發射端1的逆變器以固定頻率f被驅動，此時系統的等效電路如圖2（b）所示。

3 系統的磁場仿真

通過以上分析可知，線圈之間的互感對輸出功率影響很大，為降低損耗，應當盡量減小休眠工作模式下2個線圈之間的交叉耦合，因此，有必要對系統在2種工作模式下的磁感應強度進行分析。根據描述，搭建了如圖6所示的Comsol仿真模型對系統在2種工作模式下的磁場進行仿真，仿真模型參數如表1所示。

系統在2種工作模式下的磁場仿真結果如圖7所示，從圖7（a）可看出，在休眠模式下，由發射線圈1向接收線圈提供能量，發射線圈2處于休眠狀態，并且2個發射線圈之間的交叉耦合很小，因此，在休眠工作模式下，發射端2的損耗很小。從圖7（b）可以看出，在增強工作模式下，由發射端1和發射端2同時向接收端提供能量，增強了系統的功率發射能力。

4 實驗驗證

為了證明所提出的方法，搭建了如圖8所示的實驗平臺對理論分析進行了驗證，在實驗平臺中，發射端1和發射端2相互獨立，檢測模塊與發射端2相連，為了方便展示，將檢測線圈置于接收線圈之上。實驗參數如表2所示。

系統從休眠工作模式切換到增強工作模式的實驗結果如圖9所示，從圖9（a）可以看出，在休眠工作模式下，只有發射端1向接收端提供能量，發射端2逆變器的驅動電壓為0，系統的輸出電壓Uout=17.1 V，輸出功率Pout=58.48 W。從圖9（b）可以看出，在增強工作模式下，發射端1和發射端2同時向接收端提供能量，并且通過同步控制方法，二者逆變器的驅動電壓保持同相，在此條件下，系統的輸出電壓Uout=28.2 V，輸出功率Pout= 159.05 W，ΔUout = 11.1 V，ΔPout = 100.57 W。從圖9（c）可以看出，系統從休眠工作模式切換到增強工作模式時，輸出電壓提升明顯。由圖9（d）可以看出，當2個發射源的相位差θ=120°時，系統的輸出電壓為Uout = 5.3 V，輸出功率為Pout = 5.62 W，遠低于單發射條件下的系統輸出功率。由此可見，如果未對雙發射條件下的發射端進行同步控制，2個發射端所激發的磁場會相互抵消，系統的輸出功率不僅不會增加，而且還會減小。

由圖10可以看出，在休眠工作模式下，當負載R從5～15 Ω時，系統的輸出電壓從Uout1=17.3 V～Uout2=20.3 V，ΔUout=3 V，輸出電壓的變化率為ΔUout/（Uout1+Uout2）/2=3/（17.3+20.3）/2=16%。在增強工作模式下，當負載R從5～ 15 Ω時，系統的輸出電壓從Uout1=28.5 V～Uout2=33.5 V，ΔUout=5 V，輸出電壓的變化率為ΔUout/（Uout1+Uout2）/2=5/（28.5+33.5）/2=16%。由以上實驗結果可以看出，在負載變化為原來的3倍的情況下，輸出電壓僅變化了16%，由此可見，在2種工作模態下，系統的輸出減壓均關于負載的變化不敏感。

5 結 論

當WPT系統應用在大功率的場合時，通常會遇到功率傳輸能力有限，器件的電壓電流應力較大等問題，為了提升WPT系統的功率傳輸能力，并且在接收端所需能量較低時可以使系統運行在低功耗模式，提出一種雙發射WPT系統，該系統有2種工作模式：休眠工作模式和增強工作模式。當接收端所需能量較低時，系統運行在休眠工作模式，當接收端所需能量增大時，系統由休眠工作模式切換到增強工作模式，以此來提升系統的功率發射能力。同時，提出了一種同步控制方法來使2個相互獨立的發射端逆變器的交流輸出電壓保持同相，并且在實驗結果中可以看出兩種工作模式下系統的輸出電壓均關于負載的變化不敏感。研究所設計的系統除了可以應用在雙發射WPT系統，還可以應用到多發射WPT系統。

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（編輯 侯湘）