基于諧振網絡控制策略的無線電能傳輸系統

摘" 要： 為了提高無線電能傳輸系統的工作距離范圍和效率，提出一種基于諧振網絡控制策略的無線電能傳輸系統方案。該方案采用諧振電容控制電路和諧振電感控制電路來實現系統諧振頻率的自適應匹配，進一步，通過對線圈的結構進行重構，優化線圈結構設計，調節不同距離下的互感和耦合系數，提高工作距離范圍及功率傳輸性能。為了驗證系統方案的可行性，首先通過磁場仿真和電路仿真進行驗證，然后搭建無線電能傳輸樣機進行性能測試。測試結果表明，相比于通用的無線電能傳輸系統，所提方案工作距離范圍增加了50%，全距離范圍內效率顯著提升。

關鍵詞： 無線電能傳輸； 諧振網絡； 諧振電容控制； 諧振電感控制； 傳輸效率； 串聯拓撲； 線圈設計

中圖分類號： TN711?34； TM724" " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）02?0109?06

WPT system based on resonant network control strategy

PAN Xingxing1， LI Guangping1， CHEN Yu2

（1. School of Information Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Shenzhen Ciji Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518054， China）

Abstract： In order to improve the working distance range and efficiency of the wireless power transfer （WPT） system， a WPT system scheme based on the resonant network control strategy is proposed. In this solution， the resonant capacitor control circuit and the resonant inductor control circuit are used to realize the adaptive matching of the system's resonant frequency. Furthermore， by reconstructing the structure of the coil and optimizing the design of the coil structure， the mutual inductance and coupling coefficient at different distances are improved， so that the working distance range and power transmission performance are improved. In order to verify the feasibility of the system solution， it was first verified by means of the magnetic field simulation and circuit simulation， and then the WPT prototype was built for the performance test. The testing results show that in comparison with the general WPT system， the working distance range of the proposed system solution is increased by 50%， and the efficiency within the entire distance range is improved significantly.

Keywords： wireless power transfer; resonant network; resonant capacitor control; resonant inductance control; transmission efficiency; series topology; coil design

0" 引" 言

相比于傳統的有線充電方式，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術通過電磁場實現非接觸電能傳輸，具有無需插拔、無接觸和適應能力強等優點[1?3]，近年來已廣泛應用于自動導引小車、電動汽車醫療設備、無人機等工程領域[4?7]。

WPT諧振補償網絡主要由電容和電感構成，根據不同的串聯或并聯方式組成不同的補償拓撲形式，分別為串聯?串聯、串聯?并聯、并聯?串聯、并聯?并聯，在此基礎上學者們還提出了LCC、LCL等高階諧振拓撲結構[8?10]。當前，學者們對于如何提升WPT系統充電距離和效率做了大量研究，其中系統諧振拓撲的設計和線圈的設計是最常用的方法。文獻[11]中提出了一種混合自切換諧振拓撲WPT系統，采用LCL諧振拓撲網絡，根據工作時恒流恒壓狀態切換接收電路諧振拓撲，但系統切換拓撲時處于滿功率運行狀態，任意參數的偏移都可能造成瞬間高電壓沖擊。文獻[12]提出了一種基于雙邊LCC諧振拓撲狀態下的三相移控制策略，實現整個功率范圍內的零電壓開關，并提出了雙邊相移控制來調節功率流，從而實現負載匹配，但其控制復雜且檢測結果易受系統參數影響。文獻[13]提出了一種串聯LCLCC三線圈WPT拓撲結構，對接收電路進行了拓撲改進，并采用三線圈結構，顯著提高了電池等效負載電阻值較大時的系統效率，但系統存在多階零極點，導致控制復雜度較高。文獻[14]指出學者們采用三線圈或四線圈WPT系統來提升WPT系統的傳輸效率和傳輸距離，但對比分析及測試表明，三線圈和兩線圈各有優劣，另外三線圈WPT系統實現成本較高且占用空間大。文獻[15]提出了一種采用步進電機控制發射線圈和接收線圈感量的方式，但步進電機的控制比較復雜且精度要求高，特別是工作在諧振點附近時，感量的微小變動會導致接收功率的大幅變化，對系統穩定性影響較大。

針對以上問題，為提高系統工作距離范圍及系統效率，本文提出了一種基于諧振網絡控制策略的WPT方案，設計了自適應諧振網絡控制策略的系統和一種發射端可拆分線圈結構，以優化不同充電距離下的電能傳輸性能。

1" 系統拓撲與原理分析

1.1" 等效模型框圖

基于諧振網絡控制策略的WPT系統等效模型如圖1所示。相比于典型WPT系統的LC拓撲，基于諧振網絡控制策略的WPT系統采用了CLC拓撲結構，提出了自適應諧振控制網絡，包括可控制的諧振電容電路及可控制的線圈電路；另外，對線圈的結構進行了重構，提出了一種發射端可拆分線圈結構。WPT系統包括直流電源輸入部分Us和C1、全橋逆變器Q1～Q4、發射端諧振電容Cp1～Cp3、用于控制諧振電路的開關器件S1及S2、發射線圈Lp1及Lp2、接收線圈Ls1、接收端諧振電容Cs1、全橋整流器VD1～VD4、儲能電容C2、負載RL。對LC串聯拓撲而言，其線圈兩端電壓分別為高頻方波和高頻高壓正弦波，存在明顯的電場不平衡現象，尤其當線圈電流較大時，問題更加凸顯。相較于LC串聯拓撲，本文采用的CLC拓撲可以有效地避免線圈兩端電場不平衡所帶來的干擾問題。

1.2" 工作原理

在WPT系統中，接收端線圈上下移動會使發射端線圈互感及系統阻抗產生劇烈耦合變化，距離越近，互感變化越大，從而導致發射端及接收端失諧并使線圈電流急劇降低，進而導致傳輸功率和效率降低。如圖1所示，S1用于諧振電容Cp2和Cp3的切換，S2用于諧振電感Lp1和Lp1+Lp2的切換，控制單元根據接收端的狀態控制開關器件S1和S2來調整諧振參數，并通過線圈的優化以達到擴展工作距離和提高系統效率的目的。

為了便于分析系統線圈的傳輸特性，基于文獻[16]對WPT系統進行了簡化，其等效電路模型如圖2所示。在等效電路模型中：UAC為全橋逆變器輸出的高頻交流電壓；Lp和Ls分別為發射線圈和接收線圈的自感；Rp和Rs分別為發射線圈和接收線圈的等效電阻；Ip和Is分別為發射電路和接收電路的電流；Cp1和Cp2為發射電路的補償電容；Cs為接收電路的補償電容；M為發射與接收線圈之間的互感；RL為接收電路的負載。

當電路處于完全諧振狀態時，電容的容抗與電感的感抗完全抵消，電路將呈現純阻性。為提高WPT系統的傳輸效率，發射電路和接收電路盡可能設置為一樣的諧振頻率，兩者可同時到達完全諧振狀態。其諧振頻率計算公式[17]如下：

[fp=12πCpLp=12πCp1Cp2Cp1+Cp2·Lpfs=12πCsLs] （1）

式中：fp和fs分別為發射電路和接收電路諧振頻率；Cp為發射電路等效諧振電容值。

根據基爾霍夫電壓定律，對圖2所示等效電路模型進行分析，可列回路方程為：

[1jωCp1Cp2Cp1+Cp2+jωLp+RpIp=UAC+jωMIs1jωCs+jωLs+Rs+RLIs=jωMIp] （2）

式中：[ω]為電路工作角頻率；j為虛數單位。

當發射電路和接收電路處于完全諧振狀態時，有[jωLp=-1jωCp1Cp2Cp1+Cp2]，[jωLs=-1jωCs]等式成立[18]。將其代入式（2）可得到發射電路電流Ip和接收電路電流Is的表達式，如下：

[Ip=Rs+RLM2ω2+RpRs+RLUACIs=-jωMM2ω2+RpRs+RLUAC] （3）

進一步，發射電路阻抗Zp和接收電路阻抗Zs可推導為：

[Zp=M2ω2+RpRs+RLRs+RLZs=-M2ω2+RpRs+RLjωM] （4）

根據式（3）、式（4）分析可知，[Ip∝1M2]，[Zp∝M2]，隨著M的增加，發射電路電流Ip以平方倍的比例減小。互感M的計算相對復雜[19]，可近似為：

[M≈πμ0r4N22d3] （5）

式中：[μ0]為空間磁導率；d為發射線圈與接收線圈距離；N為線圈匝數；r為線圈半徑。由式（5）可以看出，WPT系統的互感值與工作距離的3次方成反比。隨著發射線圈和接收線圈距離變近，互感M會急劇增加，在發射電路輸入電壓UAC和工作頻率固定情況下，發射電路電流Ip會以M的平方倍減小，導致線圈電壓達不到預設值，從而無法傳輸足夠的能量到接收電路。文獻[20]指出，較高的系統電壓UAC可以提高系統的輸出功率，通過式（3）可知，其原理是提高發射線圈電流，以此來增強系統磁感應強度，但提高輸入電壓的成本會大幅增加，且安全性要求更高，故WPT系統一般采用定電壓輸入。為解決此問題，本文通過ANSYS Maxwell線圈仿真及PSIM電路仿真，基于固定輸入電壓和給定工作頻率優化諧振電路和線圈設計，改善不同距離下的線圈互感M及系統諧振參數，以達到最優的傳輸距離范圍和更高的傳輸效率。

2" 系統設計與仿真

2.1" 線圈設計與仿真

為驗證系統方案的理論可行性，設計其最優的參數，并得到發射線圈和接收線圈耦合結構在不同距離范圍的自感、互感及耦合系數，在ANSYS Maxwell仿真環境中搭建了發射線圈和接收線圈的有限元模型。為說明本文所設計方案的優越性，以80 mm圓形線圈為對象，對比典型發射線圈和改進后發射線圈性能。接收線圈采用Qi標準線圈，鐵氧體磁片直徑為50 mm，線圈外徑為46 mm，內徑為21 mm。

線圈仿真模型示意圖如圖3所示。

改進前的典型發射線圈模型為市面上常用的手機遠距離發射線圈，即圖3中發射線圈Lp，采用螺線雙層密繞方式，匝數38匝，內徑30 mm，外徑76 mm，鐵氧體磁片直徑80 mm。典型發射線圈仿真結果如表1所示。改進后線圈模型采用可拆分結構設計，通過仿真設計確定各線圈內外徑，同樣采用螺線雙層密繞方式，內徑22 mm，外徑76 mm，鐵氧體磁片直徑80 mm。其將發射線圈從結構上拆分為2個線圈，發射線圈Lp1匝數12匝，外徑50 mm，內徑22 mm；發射線圈Lp2匝數11匝，外徑76 mm，內徑50 mm。

對于典型發射線圈，其近距離互感量過大不利于無線電能傳輸；而改進后的發射線圈通過拆分線圈的方式，系統通過檢測接收端的位置自適應控制諧振參數，優化互感和耦合系數，提高電能傳輸性能。在近距離0～10 mm時，采用發射線圈Lp1不僅減小了互感量M，還提高了耦合系數k；在遠距離時，通過發射線圈Lp1加發射線圈Lp2的方式提高其互感量M及耦合系數k，以增加其功率傳輸性能。改進后的發射線圈仿真結果如表2所示。仿真數據顯示：在近距離0 mm處，改進后線圈相比于原線圈互感量降低了31.76%；在遠距離30 mm處，改進后線圈相較于原線圈互感量提高了13.50%。通過獨特的線圈拆分設計，外表與單線圈無異，但可達到兩個線圈的功能，相比于多線圈系統，大幅減小了線圈體積和成本。

2.2" 系統電路設計與仿真

為了驗證線圈仿真測試平臺的有效性，搭建WPT系統的發射端部分硬件電路，如圖4所示。

圖4主要包括4個電路模塊：逆變電路用于將直流電轉化為交流方波信號；自適應諧振控制網絡包括諧振電容控制電路和諧振電感控制電路，諧振電容控制電路通過單片機輸出S1信號的高低電平來控制繼電器K1，選擇電容Cp2或Cp3；諧振電感控制電路通過單片機輸出S2信號的高低電平來控制繼電器K2，選擇電感Lp1或Lp1 +Lp2；通過合理的電容容值和線圈設計，自適應調節系統諧振頻率，優化系統在不同工作距離下的諧振參數，以解決單一諧振網絡下距離受限的問題，增加工作距離范圍和效率。系統控制流程如圖5所示。

基于PSIM軟件搭建WPT系統仿真模型，充電距離與最大輸出功率關系仿真結果如圖6所示。

輸出電阻RL設置為5 Ω，工作頻率設置為127 kHz。圖6仿真結果表明，改進型WPT系統在0～30 mm不同距離下，系統輸出的功率都能達到7.5 W，可實現寬距離范圍的功率輸出。

3" 實驗驗證

基于硬件電路搭建實驗樣機對其進行實驗，樣機如圖7所示，線圈使用的利茲線為直徑0.08 mmamp;108股。樣機的各項基本參數如表3所示。樣機的各項參數測試值與對應的仿真值各項指標都在可接受誤差范圍內。器件仿真值與測試值如表4所示。改進前的線圈采用典型的串聯拓撲，通過式（1）計算可知諧振頻率為131.36 kHz；改進后的線圈基于CLC拓撲，諧振頻率根據圖5中開關S1和S2的位置，線圈（Lp1或Lp1+Lp2）和電容（Cp2或Cp3）可有4種搭配，分別為：Lp1搭配Cp2時，通過計算可得諧振頻率為247.21 kHz；Lp1搭配Cp3時，通過計算可得諧振頻率為131.50 kHz；Lp1+Lp2搭配Cp2時，通過計算可得諧振頻率為123.37 kHz；Lp1+Lp2搭配Cp3時，通過計算可得諧振頻率為65.63 kHz。控制單元根據接收端所在的充電距離，自適應選擇系統線圈和工作頻率，從而提升WPT系統性能。

在系統負載阻值設置為5 Ω和接收端輸出最大功率設定為7.5 W條件下，測試樣機在不同傳輸距離的數據，典型WPT系統和基于諧振網絡控制策略的改進型WPT系統輸出功率及充電效率實驗結果如圖8和圖9所示。

通過比對測量數據，典型WPT系統在距離10～30 mm可達到滿功率7.5 W，在0～10 mm范圍內輸出無法達到；而改進型WPT系統在全范圍0～30 mm內都可達到滿功率7.5 W，工作距離范圍增加了50%。在效率方面，改進型WPT系統在全距離范圍都有顯著提升。

4" 結" 論

本文以LC串聯拓撲的WPT系統為基礎，提出一種基于諧振網絡控制策略的改進型WPT系統方案，分析了WPT系統電路拓撲及其工作原理，依據系統等效電路模型進行了理論分析。通過諧振網絡控制策略和線圈設計來自適應調節系統諧振頻率，優化系統在不同工作距離下的諧振參數，以解決單一諧振網絡下距離受限的問題，增加工作距離范圍，提升效率。此外，通過磁場和電路仿真驗證該WPT系統的可行性。最后基于仿真結果搭建了實驗樣機進行驗證。實驗數據表明，相較于改進前的WPT系統，所提系統拓寬了有效工作距離并提升了效率。所設計的系統方案對于固定工作頻率或工作頻率范圍較窄的需求有較大的應用價值，且適用于距離范圍寬、效率及保護要求高的場合。

注：本文通訊作者為李光平。

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