一种改进型谐振补偿网络的多电压无线充电装置*

黄向慧梁相印*代克杰

(1.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安 710000；2.平顶山学院电气与机械工程学院，河南平顶山 467000)

在煤矿生产中，存在大量的小功率用电设备，例如矿用隔爆型LED 照明信号灯、便携式气体检测仪等[1]，这些设备在充电过程中插头频繁插拔容易产生接触火花，导致矿井内瓦斯爆炸。为了使矿用设备能安全可靠的充电，将无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术应用在这个领域[2]，这项技术不仅可以消除火花，而且能摆脱线缆束缚远距离输送电能。然而矿井中便携式设备充电电压规格不同，现有的无线充电装置仅能为某一种电压等级用电设备充电，严重制约了无线充电技术在煤矿领域的应用，所以研究一种无线充电装置为多种电压等级用电设备充电具有重要意义。

无线电能传输技术利用线圈谐振耦合进行电能传输，由于矿用小功率设备基本采用蓄电池供电，所以如何利用无线充电技术为蓄电池充电成为了研究的热点。目前，无线充电技术为蓄电池充电主要是恒压[3-4]或恒流方式[5-6]，但单一的充电模式会产生过电位现象，严重损害电池。为延长电池使用寿命，陆江华等[7]提出一种改变原边逆变器工作频率的方法，该方法对蓄电池实现恒流-恒压模式充电，然而建立数学模型较为困难。随着对无线充电系统研究的深入，许多学者通过改变谐振补偿网络拓扑结构实现恒流-恒压模式输出[8-9]。刘帼巾等[10]提出一种改变双边补偿网络参数的方法，实现无线充电系统恒流-恒压输出，极大程度上简化了控制策略的复杂程度，却增加了系统参数配置的难度。戴晓锋[11]、吉莉[12]、麦瑞坤等[13]通过改变副边谐振补偿网络元件参数的方法，完成系统恒流模式到恒压模式的自动切换，该方法无需改变逆变器的输入电压和频率，但切换条件计算过程较为复杂。为解决这个问题，巩兆伟等[14]利用蓄电池端电压来切换副边LCC/LC 补偿网络的方法，进一步简化了控制策略，然而单一电压等级输出并不适用于矿井中不同规格用电设备充电。

基于上述问题，提出了一种投切谐振网络和分压电阻相结合的方法，实现无线充电装置多电压的输出。利用回路电流矩阵方程分析原副边谐振网络的数学模型，得到谐振工作条件；然后分析传统的反激电路以及恒流-恒压充电模式的切换条件，设计了多电压输出反激电路和系统控制策略。通过仿真和实验验证了所提方法的正确性。

1 无线充电系统拓扑分析

无线充电系统主电路拓扑分为原边电路和副边电路如图1 所示，原边电路包括直流稳压电源、反激电路、高频逆变电路、原边补偿网络以及原边线圈。副边电路包括副边线圈，复合型LCC/LC 谐振补偿网络，全桥整流电路，以及电池的等效内阻，即电池等效内阻为充电电压与充电电流之比[13]。

图1 无线充电系统主电路拓扑

1.1 LCC-LCC 拓扑结构恒流输出分析

原边的反激电路和高频逆变电路等效为高频交流输入电源，副边全桥整流电路和负载等效为输出阻抗，即恒流谐振补偿网络电路。等效模型如图2所示。其中，Uin为逆变电路输出电压相量，Lf1、Cf1、Cf11、Lp2、Cp2、Cp22为原、副边LCC-LCC 谐振补偿网络的电感、电容，L1、L2、M为充电线圈的电感和互感，I1、I2、I3、I0为各个回路的电流相量，Re为整流电路的等效阻抗，U0为等效阻抗的电压相量。

由图2 电路等效模型，列写回路电流矩阵方程，如式(1)所示。

图2 恒流谐振补偿网络电路等效模型

若使原、副补偿网络均达到谐振状态，则需满足LCC-LCC 谐振条件，如式(2)所示。

解得各个回路电流及输出电压，如式(3)所示。

由式(3)可知，谐振补偿网络输出电流I0与频率、互感系数、电感量、输入电压有关，而与负载无关。随电池等效内阻增加，电流保持恒定而电压逐渐增大，从而实现恒流特性输出。

1.2 LCC-LC 拓扑结构恒压输出分析

恒压谐振补偿网络电路等效模型如图3 所示。其中，Uin为逆变电路输出电压相量，Lf1、Cf1、Cf11、Cp3为原、副边LCC-LC 谐振补偿网络的电容，M为互感系数，L1、L2为充电线圈的电感量，I1、I2、I0为各个回路的电流相量，Re为整流电路的等效阻抗，U0为等效阻抗的电压相量。

图3 恒压谐振补偿网络电路等效模型

由图3 等效模型，列写回路电流矩阵方程，如式(4)所示。

若使原边电路和副边电路均达到谐振状态，则需满足LCC-LC 谐振条件，如式(5)所示。

解得各个回路电流及输出电压，如式(6)所示。

由式(6)可知，谐振补偿网络输出电压U0与互感系数、补偿网络自感系数以及输入电压有关，而与负载无关。随着电池等效内阻的增加，电压保持恒定而电流逐渐减小，从而实现恒压特性输出。

2 改进型谐振补偿网络设计

2.1 反激变换器的分析与改进

反激变换器主电路采用单端反激式拓扑，具有结构简单，输入输出电气隔离的优点，广泛应用于小功率设备；控制电路采用UC3842 电流型控制芯片，由于其外围电路简单、输出非常适用于驱动场效应晶体管，所以采用基于UC3842 芯片构成双闭环的反激变换器如图4 所示。

图4 双闭环反激变换器

图4 中输出电压U′经过R1和Rx电阻分压后，与TL431 以及PC817 构成外部误差放大器的基准电压作差，得到误差电压。通过UC3842 内部电流比较器将误差电压与初级侧电流比较，从而产生脉冲宽度可调的驱动信号稳定输出电压。R1和Rx是精密稳压源的外接分压电阻，投切不同的电阻以改变输出电压，从而实现多电压输出。

改进后反激电路输出电压与分压电阻关系如式(7)所示。

式中:U′为反激变换器的输出电压；Rx和R1为分压电阻。

由式(7)可知，反激变换器的输出电压U′与分压电阻Rx(R2～R5)有关。通过开关切换不同阻值的分压电阻，从而改变谐振补偿网络的输入电压。

2.2 恒流-恒压模式切换过程分析

便携式设备充电过程中除了改变谐振补偿网络的输入电压外，还需对无线充电系统恒流-恒压动态的切换过程进行分析。该切换过程需要同时投切副边LCC/LC 谐振网络和反激变换器输出的分压电阻，但电压和电流不能剧烈波动，否则会严重损坏电池。下面对恒流-恒压切换过程进行理论分析。

假设恒流阶段输出电压为Ucc，电流及电压输出关系，如式(8)、式(9)所示。

由式(8)和式(9)可知，恒流状态下电流输出恒定，而电压随着蓄电池等效电阻Re上升而升高。

假设恒压阶段输出电压为Ucv，电压输出关系如式(10)所示。

反激变换器输出电压U′经过高频逆变电路，为谐振补偿网络提供高频交流电源。

在切换过程中，电池的等效阻抗Re不会发生剧烈跳变，故输出电压与分压电阻之间关系:

当恒流阶段输出电压Ucc与恒压阶段输出电压Ucv相等时，利用原、副边相互通信，投切相应电压等级用电设备的分压电阻，为谐振补偿网络提供相对应的输入电压；同时由副边LCC 谐振补偿网络切换为LC 谐振补偿网络，实现输出由恒流到恒压的稳定切换，并保证电压与电流过渡尽量平滑。

2.3 系统控制策略设计

根据不同电压等级恒压-恒流输出切换条件，原、副边的控制器分别对谐振网络和分压电阻进行投切，实现无线充电系统多等级电压输出，满足矿井下不同设备充电要求。系统控制策略如图5 所示。

图5 系统控制策略框图

系统上电后原边的控制器发射脉冲信号，副边的控制器接收到信号后，将用电设备给定充电电压的信号反馈给原边控制器，得到用电设备的给定充电电压；副边控制器实时检测蓄电池当前两端电压，与给定充电电压比较，当低于给定充电电压时，副边控制器发出信号经驱动电路放大后，控制开关K1、K2 闭合以及K3 关断，使无线充电系统工作在LCCLCC 恒流模式；当与给定充电电压相等时，原边控制器根据用电设备的给定充电电压投切相对应的分压电阻改变高频输入电压，使得切换前后蓄电池两端电压相等；同时，副边控制器控制开关K1、K2 关断以及K3 闭合，使无线充电系统工作在LCC-LC 恒压模式。该控制方式简单，仅需要和原边进行简单通信投切对应的分压电阻，即可实现不同电压等级充电设备充电。

3 仿真

3.1 仿真模型搭建

为验证该方法的正确性，在Simulink 环境下搭建无线充电系统模型。根据目前市场中矿用小功率用电设备的供电电压等级，分别对12 V、18 V、36 V 3 种电压的用电设备进行仿真模拟。无线充电系统用24 V 直流电压源供电；考虑到开关损耗以及补偿网络电感和电容的选取，以85 kHz 为高频逆变电路的频率。负载用若干不同阻值的电阻替代，模拟实际蓄电池充电过程中等效内阻变化。蓄电池充电的通用标准是充电器提供的电压不超过1.2 倍额定电压，充电电流是额定容量的10%。无线充电系统电路的仿真参数如表1 所示，仿真模型如图6 所示。

表1 电路仿真参数

图6 无线充电系统仿真模型

3.2 仿真结果

无线充电系统对蓄电池充电过程由3 个阶段构成，分别为恒流阶段、切换阶段和恒流阶段。为验证无线充电系统多电压输出，分别对12 V、18 V、36 V 3 种电压的模拟负载进行仿真，恒流阶段充电曲线如图7 所示、切换阶段充电曲线如图8 所示和恒压阶段充电曲线如图9 所示。

由图7～图9 可知，充电曲线出现尖刺现象，其是由负载跳跃变化造成，而实际充电过程中电池的等效内阻是连续变化，并不会引起这种情况。

如表2 所示，分别为12 V、18 V、36 V 3 种等级下负载充电的电压和电流仿真数据，3 种电压等级负载在恒流充电阶段，电压U0随着负载电阻升高成比例地上升而电流始终保持在2 A 左右。在切换阶段以及恒压阶段，电压偏差均不超过6%，切换时间在0.005 s 内，满足蓄电池在充电过程中对电压和电流的要求。

图7 恒流充电曲线

图8 12 V、18 V、36 V 等级切换阶段充电曲线

图9 12 V、18 V、36 V 等级恒压充电曲线

表2 三种电压等级下负载充电的电压和电流仿真数据

4 实验验证

4.1 实验平台搭建

利用仿真软件初步验证方法的正确性，为进一步验证理论的可行性，搭建实验平台验证如图10 所示。该平台以STM32F103 为原、副边的控制器，电源采用稳压直流电源，全桥逆变电路开关管选用IRF640N 型MOS 管，耦合线圈以500 股的利兹线绕制而成，原副边线圈间距15 mm，整流桥采用肖特基整流二极管MBR20100CT，电子负载代替蓄电池等效内阻，模拟实际充电过程中电池等效内阻变化过程，其变化范围为0.1 Ω～50 Ω，通信模块为NRF24L01 模块，驱动电路采用IR2110S 芯片，谐振拓扑结构的电容和电感与仿真参数一致。

图10 实验装置图

4.2 实验结果分析

无线充电系统为12 V、18 V 和36 V 3 种电压等级负载充电的电压、电流变化曲线如图11 所示。

在恒流阶段，3 种电压等级下系统的输出电流基本保持在2 A 左右。在恒流-恒压切换阶段，12 V 电压等级下负载电阻从6 Ω 上升至7 Ω，输出电压变化范围为11.98 V～12.5 V；18 V 电压等级下负载电阻从9 Ω 上升至10 Ω，输出电压变化范围为18 V～18.5 V；36 V 电压等级下负载电阻从18 Ω 上升至20 Ω，电压变化范围为36.1 V～36.5 V。在切换过程中，3 种电压等级下对负载充电均存在副边LC 补偿网络和LCL 补偿网络同时导通情况，导致电压和电流同时升高，但持续时间短暂，变化范围较小，符合用电设备充电要求。

图11 12 V、18 V、36 V 等级负载充电曲线

在恒压阶段，12 V 电压等级下负载电阻从7 Ω增加至50 Ω，电压变化范围在12.3 V～12.8 V，电流下降至0.25 A 左右；18 V 电压等级下负载电阻从9 Ω增加至50 Ω，电流下降到0.38 A 左右，电压变化范围为18 V～18.5 V；36 V 电压等级下负载电阻从20 Ω 增加至50 Ω，电压变化范围为35.8 V～36.8 V，电流持续下降到0.75 A 左右。3 种电压等级下负载充电的电压和电流实验数据如表3 所示。

表3 三种电压等级下负载充电的电压和电流实验数据

根据蓄电池充电要求，在12 V、18 V、36 V 电压等级下负载充电电压最高分别限制在14.4 V、21.6 V、43.2 V 以内，由实验结果表明不同等级下切换过程充电电压超调量在5%之内；恒压状态下充电电压精度在7%之内，均可以满足不同等级下蓄电池充电时电压变化的要求。

5 结论

(1)为了解决传统无线充电技术无法为煤矿中便携式用电设备统一充电的问题，提出了一种投切谐振网络和分压电阻相结合的方法。通过副边向原边传递用电设备充电电压信息，投切对应的分压电阻，以改变谐振网络高频交流输入电压，实现无线充电装置多等级电压输出。

(2)搭建了仿真模型和实验平台验证，其结果表明在12 V、18 V、36 V 电压等级下，负载实现了恒流恒压充电，切换过程以及恒压充电过程中电压偏差在7%之内，符合蓄电池的充电要求，验证了所提方法为煤矿用电设备统一充电的可行性。