0 引言

    無線電能傳輸技術(shù)主要應(yīng)用于電動汽車、植入式醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子設(shè)備^[1-3]。提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率是非常必要的^[4]，而另一方面，無線電能傳輸?shù)呢?fù)載多為電池或者電機(jī)負(fù)載^[5-6]，因此通常希望系統(tǒng)輸出電壓或電流保持恒定^[7-8]。為了盡可能提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率，人們提出了多種技術(shù)方案。例如可以根據(jù)效率的函數(shù)表達(dá)式，在接收回路進(jìn)行最大效率工作點(diǎn)的阻抗匹配^[9-11]。在發(fā)射回路和接收回路分別放置DC/DC電路，通過改變接收回路DC/DC進(jìn)行阻抗匹配以提高系統(tǒng)效率，同時控制發(fā)射回路DC/DC電路保持輸出電壓恒定^[12]，但該方法需要無線通信，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。利用接收回路DC/DC電路控制系統(tǒng)輸出電壓，同時通過等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓搜索最小輸入電流點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大效率^[13-14]，然而該方法雖然去除了無線通信環(huán)節(jié)，但調(diào)節(jié)緩慢。利用半控整流電路代替接收回路的二極管整流電路控制輸出電流，因此不需要添加額外環(huán)節(jié)，它同樣采用等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓尋找最小輸入電流點(diǎn)使得系統(tǒng)效率最大^[8]。然而半控整流電路開關(guān)頻率由系統(tǒng)諧振頻率決定，半控整流電路的開關(guān)損耗較大，并且半控整流電路控制復(fù)雜^[15]。

    本文提出了一種利用半控整流電路實(shí)現(xiàn)線圈傳輸效率最大的控制方式，與文獻(xiàn)[15]相比，它降低了開關(guān)頻率并且簡化了控制復(fù)雜程度，通過對半控整流電路和Boost電路的控制同時實(shí)現(xiàn)最大傳輸效率和恒定電壓輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性和正確性。

1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)

1.1 無線電能傳輸系統(tǒng)工作原理分析

    圖1所示為電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖中E為直流電壓源，開關(guān)管VD₁～VD₄構(gòu)成高頻逆變電路，L₁、L₂和M分別為發(fā)射線圈自感、接收線圈自感以及這兩個耦合線圈間的互感，C₁和C₂分別為發(fā)射回路和接收回路的串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容，r₁和r₂分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻，二極管D₁、D₂和開關(guān)管VD₅、VD₆構(gòu)成半控整流電路，電感L₃、開關(guān)管VD₇、二極管D₃和電容C₄構(gòu)成Boost電路。U₁和I₁分別為高頻逆變電路的輸出電壓和電流，U₂和I₂分別為半控整流電路的輸入電壓和電流，U_dc為半控整流電路的輸出電壓，U_o為系統(tǒng)輸出電壓，R_L為負(fù)載電阻。半控整流電路工作在兩種狀態(tài)下：當(dāng)VD₅和VD₆不導(dǎo)通時處于全橋整流狀態(tài)，當(dāng)VD₅和VD₆同時導(dǎo)通時處于短路狀態(tài)，短路狀態(tài)時它在發(fā)射回路的反射電阻為無窮大，因此系統(tǒng)不傳遞能量。

    根據(jù)圖1可得如下方程：

1.2 等效負(fù)載模型

    為了簡化分析，將Boost電路及其負(fù)載R_L等效成一個電阻R_e1。Boost電路的輸入電壓U_dc與輸出電壓Uo的關(guān)系為U_o=U_dc/(1-d₁)，式中d₁為Boost電路的占空比，理想情況下有^[13]：

2 控制方法

    直流電壓源E的輸出值保持恒定，系統(tǒng)最大效率恒壓輸出的控制由在線調(diào)節(jié)占空比d₁和d₂來實(shí)現(xiàn)。通過測量半控整流電路的輸出電壓U_dc和接收線圈電流I₂可以得到等效電阻R_e：

3 實(shí)驗(yàn)方法

    為了驗(yàn)證所提無線電能傳輸系統(tǒng)最大效率恒壓輸出技術(shù)的正確性，按照圖1搭建了如圖2所示的基于STM32F103RCT6的無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中VD1～VD7均為K2372型號的MOSFET開關(guān)管。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示，表中d為同軸平行放置的發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，發(fā)射線圈與接收線圈均采用單股線徑0.1 mm的500股利茲線繞制成大小相同的圓盤形，其中發(fā)射線圈為單層線圈，接收線圈為雙層線圈，D₁和D₂分別為線圈的外徑和內(nèi)徑，f_R和f_B分別為半控整流電路和Boost電路的工作頻率。過高的半控整流電路開關(guān)頻率會造成開關(guān)損耗增大、控制效果不明顯，然而過低的開關(guān)頻率會造成穩(wěn)壓電容C₃的增大，因此本文半控整流開關(guān)頻率f_R采用1 kHz。

    圖3～圖5分別為負(fù)載R_L=40 Ω時無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分在一個半控整流電路工作周期下的實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果。圖3為半控整流電路的輸入電壓U₂和輸入電流I₂的波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)半控整流電路于短路狀態(tài)時，U₂很小，而由于SS結(jié)構(gòu)的特性I₂保持不變，此時系統(tǒng)幾乎不傳遞電能。圖4為半控整流電路輸出電壓U_dc和電流I_dc波形圖，從圖4可見半控整流電路輸出電壓U_dc=71 V，而由式(14)計(jì)算得到U_dcηmax=70.53 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)最大效率時的輸出電壓U_dcηmax理論分析相符，即系統(tǒng)工作在最大效率點(diǎn)。圖5為系統(tǒng)輸出電壓U_o波形圖，可見輸出電壓保持在設(shè)定值100 V。

    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，會出現(xiàn)負(fù)載變化和線圈相對位置變化引起的互感變化，此時系統(tǒng)為了滿足最大效率和恒壓輸出，Boost電路占空比d₁與半控整流電路占空比d₂會發(fā)生相應(yīng)變化。圖6為上述實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，僅改變系統(tǒng)負(fù)載功率時d₁和d₂的理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖。由式(14)和式(7)可見，由于互感M及線圈內(nèi)阻等參數(shù)是固定的，因此d₁的理論值為恒定值，而負(fù)載功率變大時，需要無線傳輸更多的電能，因此d₂變小，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本符合。圖7為僅改變互感M時的d₁和d₂理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖。由式(8)和式(14)可見，d₁對互感變化不敏感，因此d₁基本保持恒定，而由于互感增大，最大效率時的接收功率減小，為了傳輸更多的電能，因此d₂變小，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本相符合。

    在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)都不變的條件下，用二極管整流電路替代半控整流電路，構(gòu)成二極管整流的無線電能傳輸系統(tǒng)，同時通過控制Boost電路使系統(tǒng)輸出電壓同樣為100 V。通過實(shí)驗(yàn)可以比較二極管整流和半控整流電路下無線電能傳輸?shù)男省D8給出了二種整流電路的無線電能傳輸系統(tǒng)在不同負(fù)載功率下的系統(tǒng)效率以及耦合線圈間無線電能傳輸效率的曲線圖。從圖中可看出，采用二極管整流電路時的效率明顯低于采用半控整流電路時的效率。隨著負(fù)載功率變小，采用二極管整流電路的系統(tǒng)效率變小，而采用半控整流電路的系統(tǒng)可以保持傳輸效率幾乎不變，并且耦合線圈間的傳輸效率保持在一個很高的水平。

4 結(jié)論

    本文提出了一種無線電能傳輸最大效率恒壓輸出技術(shù)，該技術(shù)通過在線控制接收回路半控整流電路和Boost電路的占空比，使系統(tǒng)在互感變化和負(fù)載變化時能保持最大效率恒壓輸出。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了諧振頻率為40 kHz的磁感應(yīng)無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的可行性和正確性。由于本文主要關(guān)注最大效率恒壓輸出技術(shù)有效性的研究，因此沒有對無線電能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分采取降低損耗的措施。

參考文獻(xiàn)

[1] LI S，MI C C.Wireless power transfer for electric vehicle applications[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2015，3(1)：4-17.

[2] 尹成科，徐博翎.植入式人工心臟無線電能傳輸研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(19)：103-109.

[3] 張劍韜，朱春波，陳清泉.應(yīng)用于無尾家電的非接觸式無線能量傳輸技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(9)：33-37.

[4] 麥瑞坤，李勇，何正友，等.無線電能傳輸技術(shù)及其在軌道交通中研究進(jìn)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51(3)：446-461.

[5] 劉闖，郭贏，葛樹坤，等.基于雙LCL諧振補(bǔ)償?shù)碾妱悠嚐o線充電系統(tǒng)特性分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(15)：127-135.

[6] HATA K，IMURA T，HORI Y.Efficiency maximization of wireless power transfer based on simultaneous estimation of primary voltage and mutual inductance using secondary-side information[C].IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2016：4493-4498.

[7] 劉闖，郭贏，葛樹昆，等.具備恒壓特性的SP/S感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31(13)：149-154.

[8] LI Z，SONG K，JIANG J，et al.Constant current charging and maximum efficiency tracking control scheme for supercapacitor wireless charging[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2018：1-13.

[9] 傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(18)：21-26.

[10] BERGER A，AGOSTINELLI M，VESTI S，et al.A wireless charging system applying phase-shift and amplitude control to maximize efficiency and extractable power[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(11)：6338-6348.

[11] KOBAYASHI D，IMURA T，HORI Y.Real-time coupling coefficient estimation and maximum efficiency control on dynamic wireless power transfer for electric vehicles[C].IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies：Wireless Power，2015：1-6.

[12] LI H，LI J，WANG K，et al.A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems using magnetic resonant coupling[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(7)：3998-4008.

[13] ZHONG W X，HUI S Y R.Maximum energy efficiency tracking for wireless power transfer systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(7)：4025-4034.

[14] YEO T D，KWON D S，KHANG S T，et al.Design of maximum efficiency tracking control scheme for closed-loop wireless power charging system employing series resonant tank[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(1)：471-478.

[15] 麥瑞坤，劉野然，陳陽.基于最優(yōu)等效負(fù)載控制的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36(23)：6468-6475.

作者信息:

林  將，謝  岳

（中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）