基于雙邊LCC補償?shù)臒o通信型原邊控制無線充電系統(tǒng)研究

郎文文 何家房 李振杰

摘要：為降低無線充電系統(tǒng)對于無線通信的依賴，并且實現(xiàn)負(fù)載的不同充電需求，本文提出基于雙邊LCC補償?shù)臒o通信型原邊控制方法。首先，采用T型二端口網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)了基于原邊電氣參數(shù)的充電電流和充電電壓辨識模型。其次，設(shè)計了用于恒流/恒壓充電的閉環(huán)控制器，采用電路仿真分析了工作性能;設(shè)計了具有較強抗偏移性能的DD型磁耦合機構(gòu)，采用磁場仿真分析了耦合特性。最后，搭建實驗裝置，實驗結(jié)果驗證了本文所提方法的可行性。

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸，雙邊LCC補償，無實時通信，恒流/恒壓充電

1. 引言

雖然傳導(dǎo)式充電成熟度高、應(yīng)用廣泛，但存在接口摩損與老化、手動操作繁瑣、漏電觸電隱患以及易受天氣環(huán)境影響的問題。2007年，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)助理教授Marin Soljacic及其研究團隊在《Science》期刊上提出基于四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，以空間磁場作為能量傳輸載體并且借助諧振補償和電能變換技術(shù)實現(xiàn)無線電能傳輸[1]。較之于傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)，磁耦合諧振式無線充電技術(shù)具備傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸功率大以及傳輸效率高等優(yōu)點[2-3]。

實際應(yīng)用中，電池充電過程中等效負(fù)載電阻動態(tài)變化導(dǎo)致充電電流和充電電壓波動，有必要采用閉環(huán)控制確保無線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定且可靠恒流/恒壓充電性能。閉環(huán)充電控制方法主要包括原邊控制、副邊控制。其中，副邊控制采用的電路包括DC-DC變換器以及有源整流電路。文獻[4-5]采用PI控制器調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比實現(xiàn)恒流/恒壓充電，缺點在于接收端的體積、成本和損耗較大，原邊控制采用的電路包括DC-DC變換器和全橋逆變器，并且控制方法分為充電信息反饋型與原邊反饋控制型。

a） . 充電信息反饋型，依賴Wi-Fi、Bluetooth與ZigBee等無線通信方式實時交互充電信息。通過PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的工作頻率實現(xiàn)恒壓/恒流充電，缺點在于系統(tǒng)工作頻率偏移諧振頻率時無功功率較大并且系統(tǒng)效率較低。

b）. 原邊參數(shù)估計型，僅依賴于原電氣參數(shù)估計充電和充電電壓，避免無線通信模塊存在的延時以及強磁環(huán)境下易受干擾的問題。根據(jù)發(fā)射線圈中諧振電流與補償電容端電壓之間關(guān)系估計充電電壓，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度實現(xiàn)恒壓充電，缺點在于相位差測量精度影響充電電壓精度。

本文旨在拓展無線充電系統(tǒng)的多場合適應(yīng)性，以不依賴于控制級無線通信實現(xiàn)充電控制作為切入點，提出基于雙邊LCC補償?shù)臒o通信型原邊控制無線充電系統(tǒng)，并且深入地研究其電路拓?fù)浜凸ぷ髟怼?/p>

2. 電路拓?fù)渑c理論分析

2.1 電路拓?fù)?/p>

本文提出的基于雙邊LCC補償?shù)臒o線充電系統(tǒng)電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中，發(fā)射端電路由直流電壓源（Ubus）、全橋逆變器（Q1～Q4）、LCC補償拓?fù)洌↙p、Cp、L1、C1）組成;接收端電路由LCC補償拓?fù)洌↙s、Cs、L2、C2）、整流橋（D1～D4）以及等效負(fù)載電阻（Ro）組成。同時，全橋逆變器的輸出電壓為us，流過Lp和L1的電流分別為ip和i1，M為磁耦合機構(gòu)的互感值，流過Ls和L2的電流分別為is和i2，充電電流和充電電壓分別為Io和Uo。

2.2 理論分析

結(jié)合圖1所示雙邊LCC補償?shù)幕ジ心Ｐ?，建立圖2所示等效解耦電路模型，據(jù)此推導(dǎo)原邊電氣參數(shù)與充電電流和充電電壓之間關(guān)系式。

由式（16）可知：kQ與磁耦合機構(gòu)參數(shù)相關(guān)，并且設(shè)計初期應(yīng)合理取值。發(fā)射線圈和接收線圈中諧振電流i1（t）和i2（t）的相位差φ12與諧振狀態(tài)相關(guān)并且取值范圍為0～π。kQ一定且φ12=90°時，傳輸效率ηmag最大。i1（t）和i2（t）的有效值I1_rms和I2_rms滿足式（14）時，ηmag最大。

3.2 電路仿真

PLECS仿真軟件中搭建的無線充電系統(tǒng)電路模型如圖5所示，主要包括三部分：主電路部分、充電電流/充電電壓預(yù)測部分以及雙閉環(huán)控制器部分。其中，基于PI的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)了最終的恒流/恒壓充電。

結(jié)合圖5所示電路模型，恒流充電和恒壓充電的閉環(huán)仿真波形如圖6所示?？芍壕秃懔鞒潆姸?，等效負(fù)載電阻由13 Ω變到18 Ω時，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度，全橋逆變器的輸出電壓us改變，實現(xiàn)3 A充電。就恒壓充電而言，等效負(fù)載電阻由30 Ω變到90 Ω時，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度（即輸出電壓us），實現(xiàn)54.6 V充電。顯然，閉環(huán)仿真結(jié)果驗證了本文所提無通信型原邊控制方法的可行性與合理性。

4. 實驗驗證與結(jié)果分析

為驗證本文所提方法，做了圖7所示仿真。等效負(fù)載電阻Ro與移相角度α、系統(tǒng)效率η之間的實驗結(jié)果如圖8所示?？芍篟o變化時，動態(tài)調(diào)節(jié)α實現(xiàn)了恒流恒壓充電。

結(jié)論：針對無控制級雙邊通信且接收端結(jié)構(gòu)緊湊化的需求，提出基于雙邊LCC補償?shù)臒o通信型原邊控制無線充電系統(tǒng)，拓展其多場合適用性。建立基于原邊電氣參量的充電電流和充電電壓辨識模型，采用DD型磁耦合機構(gòu)確保強抗偏移的基礎(chǔ)上，PI控制器實現(xiàn)負(fù)載變化時恒流/恒壓充電。最后，仿真和實驗結(jié)果均驗證所提方法的可行性。

參考文獻

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[2] A. Karalis， J. D. Joannopoulos， M. Soljacic. Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Transfer [J]. Annals of Physics， 2008， 3123（1）： 34-48.

[3] 張獻， 楊慶新， 陳海燕， 等. 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計與實驗驗證 [J]. 中國電機工程學(xué)報， 2012， 32（21）：153-158.

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