具有感应加热功能的无线电能传输系统

黄蓉蓉， 蒋 赢， 高金玲， 杨文涛

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

电子信息产业的蓬勃发展促使着各式各样的便携式电子产品如手机、数码相机、手表、学习机、蓝牙耳机、平板电脑等的出现，繁杂的手机充电接口和缠绕的充电线给人们增添许多不便[1]。废弃的旧充电器造成资源的浪费，大量旧充电器废弃后的处理也会对环境造成更重的负担[2]。其中主要问题是不同品牌的不同系列产品所使用的充电器不兼容[3]。

无线充电技术不再受电子设备及其有线充电器接口匹配的限制，运用磁耦合谐振式无线电能传输技术对电子设备充电，减缓了电子设备充电器丢弃对资源浪费和环境污染的影响[4]。常用的无线谐振电能传输补偿机构包括串联-串联、串联-并联、并联-并联、并联-串联4种基本类型[5]。传统的无线电能LC串联谐振拓扑，由于一次侧和二次侧耦合效应，负载的变化会引起系统谐振频率的变化，影响系统的输出功率和效率。为了在变负载状态下保持输出电压的稳定，本文使无线磁耦合谐振电能传输系统工作在零相角频率下。

传统火焰加热会释放污染性气体，传统电阻的电流热效应加热效率比较低[6-7]，采用高频感应加热方式，运用感应加热原理，与传统的加热方式相比较，其具有加热速度快、能耗低、节材、绿色环保[8-9]的优点。电力电子技术及新型关断器件的出现和飞快发展，感应加热频率不但提高,且效率可提高到90%以上[10]。

1 无线电能传输系统分析

无线电能传输采用串-串补偿方式，无线电能传输系统分为接收端和发射端两部分，两侧系统的电感和电容值的选择决定了输出功率的特性和相应的频率，这些因素可能影响输出功率，功率效率和谐振频率[11]。无线电能传输电路系统工作原理如图1所示。

图1 无线电能传输系统原理图

图中，DC为直流电压源；T1、T2、T3、T4为MOSFET开关管；L1、R1分别为发射线圈的电感和内阻；C1、C2分别为发射线圈和接收线圈的补偿电容；M为发射和接收线圈间的互感；L2、R2为接收线圈的电感和内阻；D1、D2、D3、D4为全桥整流的二极管；RL为负载电阻。无线电能传输系统的工作过程：直流电压源DC经全桥逆变电路T1、T4和T2、T34个MOSFET开关管交替导通得到高频交流电，通过谐振补偿电路使发射和接收线圈有相同的固有频率，利用磁场共振强耦合将电能传输至接收线圈，最终实现电能的无线传输。无线电能传输的等效电路如图2所示。

图2 无线充电等效电路

根据基尔霍夫定律，得到一次侧和二次侧的电压回路方程式如下：

(1)

由式(1)方程组得一次侧输入交流电压和二次侧回路电流的关系式为

(2)

令输入交流电压和二次侧回路电流之比uin/i2虚部为零，则满足

im{uin/i2}=0

即

R1(RL+R2)-ω2M2=0

(3)

由式(3)得到两个解为

ω±=

(4)

式中：K为一次、二次侧线圈之间的耦合系数，ω+为分子±部分取+符号的解，ω-为分子±部分取-符号的解。

由发射端和接收端的电压回路式(1)得到电路电压增益，即输入交流电压uin和负载输出电压uo之比，发射端和接收端线圈内阻R1和R2很小，所以可忽略不计，得到uin与uo之比表达式为

(5)

当L1C1=L2C2，将式(4)的ω±值代入式(5)得

(6)

由式(6)可知，电压增益是负载独立的。

如果L1=L2，式(4)可简化为

(7)

本设计系统工作频率在输入电压和二次侧电流的零相角频率下，系统负载输出近似恒定的电压，系统设计时尽量确保一次、二次侧线圈内部电阻小。

2 感应加热系统分析

感应加热和磁耦合谐振无线电能传输作为两种不同的系统，感应加热的本质是高频磁场，直流电源经过高频逆变产生高频交变磁场，在金属锅具中产生涡流效应对被加热对象进行加热，而无线电能传输的电源发射端由逆变输出的高频交变电流在一次侧线圈中产生高频交变磁场，对感应加热同样适用。两者具有相同的发射端部分即图1所示虚线框内电路，当在一次侧线圈上方放置金属锅具时，实现感应加热功能；当一次侧线圈上方为串联补偿谐振副边线圈时，实现电子设备的无线充电功能。

高频感应加热的逆变器有串联谐振型和并联谐振型两种[12]，感应加热的原理是在线圈中产生高频电流，在线圈的轴向两面产生磁场，当金属锅具处于磁场范围内，交变的磁场切割金属锅具底部金属，使金属表面产生涡流，涡流导致锅具的铁分子进行高速且无规则的运动，从而使铁分子相互碰撞并摩擦，导致发热，最后形成热能，实现加热的目的[13]。高频感应加热工作原理如图3所示。

图3 感应加热原理图

图3中，L3和R3为金属锅具等效的电感和电阻。本文高频感应加热逆变器为串联谐振型，由直流电压源经全桥高频逆变得到高频交流电，逆变器输出电压波形为方波, 输出电流波形为正弦波。一次侧线圈串联谐振电容降低了系统的无功功率消耗，提高了功率因素。一次侧线圈产生的高频磁场与金属锅具等效的电感耦合，将能量传输给加热对象。

感应加热系统的开关频率为一次侧的阻抗及金属锅具负载等效到一次侧线圈的谐振频率。铁质锅具等效到一次侧的阻抗为

(8)

回路的总阻抗为

(9)

感应加热系统的效率为

(10)

式中：Po为负载输出功率；Pin为负载输入功率。

感应加热的工作频率为铁质锅具等效到一次侧总阻抗的谐振频率，即满足式(9)Z1虚部为零条件的频率值。线圈和金属锅具组成一个分离式变压器系统，感应加热炉的工作频率应大于20 kHz，因为频率太低会产生噪声。

3 仿真分析

3.1 无线电能传输

表1 无线电能传输系统仿真参数

图4为系统工作在不同频率时对应的输出功率曲线图，在耦合系数K取中等耦合系数0.18、0.30、0.35时会产生两个不同的功率峰值，这两个功率在接近谐振频率处合并。这种双功率峰值现象反映了激发电压和一次侧电流之间的相位差，由于分岔[14-15]，输入电压和一次侧电流同相出现在中等耦合系数和高品质因子系统中。

图4 中等耦合系数系统工作频率和负载功率关系图

图5为无线电能传输系统工作频率和一次侧电压电流相位关系图，结合图4可见，第1和第3零相角频率分别出现在第1和第2功率峰值，而第2个零相角频率出现在系统谐振频率处，励磁电压和一次侧电流之间的零相角检测方法存在因频率分叉而呈现不稳定问题[14]。

采用励磁电压和二次侧电流之间的零相角检测，工作频率和一次侧电压、二次侧电流相位关系如图6所示。由图6可知，只有一个零相角频率，这种检测方法相对于励磁电压和一次侧电流之间的零相角检测方法而言比较稳定。

系统参数如表1所示，研究耦合系数、工作频率对系统传输效率的影响，图7所示为无线电能传输系统的系统效率随工作频率变化曲线，图8所示为无线电能传输系统的系统效率随耦合系数变化曲线。

图5 工作频率和一次侧电压电流相位关系图

图6 工作频率和一次侧电压与二次侧电流相位关系图

图7 系统工作频率和效率关系曲线

图8 系统耦合系数和效率关系曲线

由图7可见，系统工作在谐振频率时系统效率最高，在零相角频率时系统效率约为80%，工作频率在48～55 kHz之间，系统效率随着工作频率的变化较缓慢。由图8可见，系统工作在零相角频率下，效率先随着耦合系数的增大而增大，后随耦合系数的增大而减小。

通过Matlab仿真分析当负载变化时输出电压的波形情况，来验证电压增益与负载的大小变化无关。当系统工作在零相角频率下，负载RL分别设为10 Ω、30 Ω、100 Ω，通过仿真查看负载输出电压波形，如图9所示。由图9可见，负载大范围变化，但负载输出电压基本保持不变。

线圈耦合系数K=0.18时，系统工作在零相角频率55 kHz和谐振频率50 kHz两种频率，在两种工作频率下改变负载的大小，得出系统的负载输出电压值的对比，如表2所示。由表2可见，当系统工作在零相角频率55 kHz时，负载电阻较大范围变化时,系统的输出电压基本保持不变;当系统工作在谐振频率50 kHz时，负载电阻较大范围变化时,系统的输出电压变化也较大，随着负载电阻的增大，负载输出电压也随之增大。通过系统工作在零相角和谐振两种不同频率下的对比，验证了在变负载环境下，系统工作在零相角频率可保持负载输出电压恒定，提高了系统的稳定性。

3.2 感应加热

感应加热系统一次侧部分参数值和无线电能传输系统一样，金属锅具的等效电感值为60 μH，等效电阻值为2 Ω，得出系统的工作谐振频率为54.6 kHz。感应加热设计元器件的具体参数如表3所示，表中f2为感应加热系统谐振频率。由式(10)感应加热效率公式得到感应加热系统效率随工作频率变化曲线，如图10所示。

由图10可见，感应加热系统工作在谐振频率时效率最高，低于或高于谐振频率时系统效率下降的比较快。由图11可见，系统工作在谐振频率时，系统效率随耦合系数变化的关系图，系统效率先随耦合系数的增大而增大，后随耦合系数的增大而减小，系统效率和耦合系数的上升和下降变化曲线比较陡。

图9 不同负载值电压波形

RL/Ωuo/Vf0=55kHZf1=50kHZ2049.439.235050.4597.9510050.61195.2214050.64272.22

表3 感应加热系统仿真参数

图10 工作频率和系统效率关系曲线

图11 耦合系数和系统效率关系曲线

系统工作在无线电能传输和感应加热两种模式下，各自的工作频率是不同的，所以用数字信号处理芯片输出两路不同频率的脉冲宽度调制信号。根据负载人工设定工作模式为感应加热或无线电能传输。

4 结 语

本文研究了具有感应加热功能的无线电能传输系统，感应加热和无线电能传输共用一个发射端，该系统装置大大节约成本，减小占用空间，将该装置应用在电动汽车内，能对车内饮品进行加热又能给电子设备无线充电。对无线电能传输频率分叉特性现象进行了阐述，分别分析了无线电能传输系统和感应加热系统的工作效率和系统工作频率及耦合系数之间的关系。通过仿真验证了无线电能传输系统工作在零相角频率下，能够实现变负载恒压充电理论的正确性，感应加热工作在谐振频率时效率最高。具有感应加热功能的无线电能传输系统在家用汽车内具有重要的实用性。