无线电能传输系统的功率控制策略研究

摘 要：在传统充电方式的弊端日益突出的今天，无线充电开始登上历史的舞台，而基于无线充电方式的核心是对负载端的控制策略。本文将研究无线电能传输的过程，基于磁耦合谐振的双LCC补偿拓扑结构，利用双闭环策略，提出一种高效、灵活的负载功率控制的思路，可以实现负载的恒压和恒流供电，而恒流恒压无线充电能满足手机、电动汽车和电脑等移动设备的要求，提高其充电的效率和电池使用寿命，特别是符合电动汽车这一新兴产业的发展趋势。

关键词：无线充电;恒流恒压;磁耦合谐振;双闭环

一、选题背景和意义

近年来，随着越来越多的内置电池的移动电器开始出现，例如电动汽车、笔记本电脑、手机等，无线功率传输（WPT）已经成为一项很有发展前景的技术现代应用包括电子设备和电动汽车，应用范围从消费电子产品和植入式医疗设备等低功率场景到电动汽车和铁路运输等高功率场景。无线输电在现代社会中越发重要，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。无线电能传输技术相比传统电能传输方式有很多优势。首先，无线输电使人们可以摆脱电线，在充电时不需要拔插设备，降低了机械磨损，延长了充电器的使用寿命。另外，无线输电更加灵活方便，只要将待充电的电器放到制定位置便可自动充电，可以大大简化手机、笔记本电脑和电动汽车的充电流程，优化用户的体验，所以一些全球知名手机厂商，例如华为公司和苹果公司已经研制出支持无线充电的移动手机设备。最后，无线电能传输技术成熟后，可以支持多电器同时充电，省时省力。

二、实现方案的对比和选取

为了满足不同类型电池充电的需求，需要进行恒流充电（CC）和恒压充电（CV），恒流充电可以实现快速充电但是容易造成过充，而恒压充电又容易欠充，基于此，包括电动汽车在内的多种设备需要恒流恒压充电，即先恒流快速充电，等到电池电压达到一定值时，再恒压充电。对于固定负载来说，恒压和恒流充电不难实现，但是由于电池在充电过程中被视为可变负载，因此这给CC和CV控制增加了难度。

目前有幾种实现方式：

（1）对具有恒流输出的补偿拓扑和具有恒压输出的补偿拓扑结构进行切换来实现恒流和恒压控制，即混合补偿法，这种方法控制简单但是稳定性非常不好;

（2）利用谐振补偿拓扑结构在不同工作频率的不同特性进行恒流和恒压控制，这种方法稳定性不好而且控制难度大，控制精度难以保证;

（3）现如今效果较好且应用较多的是基于无线通信技术实现负载的反馈，有一种方法是将负载的电压和电流反馈给发射端逆变电路，改变桥臂上MOS管的驱动信号相位值，但是其控制精度差;另一种方法是在发射端建立DC/DC电路，DC/DC电路本身有稳波滤压的作用，而且通过闭环控制其开关开闭时间从而改变DC/DC电路的输出电压和电流，但是这种方法结构复杂，成本过大。

以上几种负载功率端的效果在一些场合都不太理想，因此急需提出一种制作成本更低、操作难度低且精度和控制效果符合要求的负载端控制方式。这有助于智能电网的实现和无线输电技术的发展以及电动汽车的推广等一系列领域。

经过讨论，本文计划利用能量利用效率更高的无桥PFC并在接收端设置DC/DC电路，并通过双闭环将负载信息反馈到DC/DC电路，调节DC/DC电路中功率驱动信号的占空比来控制负载的电压和电流。在接收端设置DC/DC电路控制更加简单方便。

三、Simulink仿真

基于磁耦合谐振的双LCC补偿拓扑结构为恒流输出，所以可以将其等效为恒流源。

电源电流为幅值为10A的正弦交流电，当调整输出电压为300V时，结果最终稳定在300V。

参考文献：

[1]黄学良， 谭林林， 陈中， et al. 无线电能传输技术研究与应用综述[J]. 电工技术学报， 2013（10）：7-17.

[2]谭林林， 潘书磊， 颜长鑫， et al. 一种恒流-恒压无线充电系统及其充电方法.

[3]Huang C C ， Lin C L ， Kao J J ， et al. Vehicle Parking Guidance for Wireless Charge Using GMR Sensors[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018， 67（8）：6882-6894.

作者简介：

张国威（1998-），男，汉族，河北邢台人，东南大学本科在读，电气工程及其自动化方向。