无线电能传输技术及在智能设备中的应用——评《磁共振无线充电应用技术》

朱尔果

(上海外国语大学贤达经济人文学院,上海 200083)

近年来,电动汽车、电动无人机等设备逐渐普及,增大了人们对于储能设备无线充电的需求,相关充电方式的研究越来越深入。沈锦飞编著的《磁共振无线充电应用技术》一书聚焦于储能设备的无线充电技术研究,首先,简要介绍储能设备的无线充电技术及应用;其次,给出电磁共振式无线充电系统的组成、工作原理、相关补偿电路等内容;然后,介绍电磁共振式无线充电控制系统相关知识,包括储能设备的分类、充电控制方法等,并列举几种常见的无线充电控制系统,对原理、功能进行详细剖析;最后,详述单相供电电磁共振式无线充电系统、三相供电电磁共振式无线充电系统的设计方法、电路组成及工作原理,并给出具体示例。

1 无线充电技术

无线充电是指电能在负载和电源之间不经过电气直接接触而发生能量传输的技术。无线充电可避免储能设备因接触而导致的磨损,减少设备线缆的束缚。目前,无线充电方式主要有两种:①电磁感应式,传输距离较短、耦合系数较低,使用范围受限;②电磁共振式,根据频率共振原理实现无线充电,辐射小、传输距离远、传输效率高,应用范围较广。一些电动客车、电动公交车中配备的超级电容器,利用无线充电技术,可根据站与站之间的距离设置储能的容量,在车辆进站停靠时,进行快速无线充电。对于电动引导车,可利用超级电容器储能设备质量轻的优势,实现频繁无线充电,减轻车辆的整体质量,提高性能并降低成本。对水下设备进行无线充电,能使设备金属接头免受腐蚀,提高设备的灵活性,扩大工作区域,提高供电效率。此外,无线充电还广泛应用在手机、电视等家用电器上,均取得了不错的应用效果。

2 储能设备无线充电系统

电磁共振式无线充电系统主要由发射侧/接收侧电能变换电路、补偿电路和发射接收线圈等组成,通过电磁共振实现无线充电。发射侧电能变换电路通常由电压/电流逆变器等构成,可将直流电转换为高频交流电;接收侧电能变换电路可实现整流、滤波、斩波等功能,将高频交流电转换为直流电,满足储能设备充电的需求。该系统的主要功能是将输入的交流电经过处理,利用无线传输电路将电能输送到储能设备。在整个能量传输过程中,要根据设备的特性实现充电控制。通常来说,储能设备包括超级电容器、铅酸电池、锂离子电池等,为了精确控制电压电流,要为无线充电系统设置相应的控制策略。如为了维持电压电流的稳定,可设置电压电流单闭环控制系统,通过电压电流的滤波调节及能量的变换,输出目标参数。在电磁共振式无线充电系统中,发射线圈、接收线圈、发射侧/接收侧补偿电路共同组成磁耦合谐振器。磁耦合谐振器包括发射侧谐振回路和接收侧谐振回路,实际上是一个耦合系统。影响该系统传输特性的因素有:①距离,当传输距离不断增加时,系统的频率分裂现象会逐渐消失,传输效率和储能接收效率逐渐降低,可通过提升谐振频率等方法弥补这一不足;②传输频率,当系统的传输频率和磁耦合谐振器的谐振频率相同时,达到共振状态,此时能量的传输效率最高,因此,应保证两种频率尽量接近;③效率,通常情况下,增大线圈互感、减小线圈内阻、提高谐振器共振频率等,都是提高系统传输效率的有效方法,但共振频率不宜过高,否则会导致线圈内阻增大,影响系统传输性能。

电磁共振式无线充电实际上是使两个不同传输线圈的谐振频率保持相同,以进行能量传输,因此传输线圈的设计尤为重要。要根据使用场景的不同,选择合适的传输线圈类型:当传输距离较远时,尽量选择圆柱形螺旋线圈;若想要传输线圈的体积更小,传输磁场能量更大,可选择矩形平面螺旋线圈;可在传输线圈正面添加环氧板保护层,减少电磁场向外扩散的幅度,提高线圈的磁通耦合度;为减小电磁辐射对人体的危害,可在线圈外部增加铝制防护罩,屏蔽磁场。在充电过程中,有很多电能消耗在线圈的阻抗上,为了提高电能传输效率,应设法减小线圈的阻抗。通常采用增加补偿电路的方式,即在原有传输线圈电感(L)的基础上,增加补偿电容(C),形成串联或并联补偿电路。常见的补偿电路形式有串-串联谐振电路、串-并联谐振电路、并-并联谐振电路、并-串联谐振电路、LCL-LCL谐振电路、LCC-LCC谐振电路等。在各种补偿电路中,补偿电容均在谐振状态工作,主要功能是实现瞬时增压。在实际应用中,应根据所需的电压、容量及热稳定性、耐高温高压等特性,来选择补偿电容。

3 无线充电控制系统

3.1 电磁共振式无线充电控制系统

实际上,电磁共振式无线充电系统充电是对储能设备的充电。要选择合适的电流,电流过大或过小都会对充电效率产生影响。储能设备的充电方法很多,包括但不限于恒压、恒流、脉冲和分阶段充电等,但总体而言,控制方式可分为电压控制和电流控制两种。该书给出了几种常用的电磁共振式无线充电控制系统。电压电流单闭环控制系统由输出电压或电流、调节器、谐振器和变换滤波电路等组成,目的是维持电压电流的稳定,为正常充电创造有利条件。该系统以放大器、驱动电路、逆变器、谐振器、滤波整流电路、采样电路、信号传输和处理电路、储能设备等为基础,建立电压负反馈单闭环控制系统,通过恒压控制方式给储能设备充电。充电时,还需进行电流控制,以电流放大器、驱动电路、逆变器、谐振器、整流电路、电流采样电路和信号传输电路等为基础,建立电流负反馈单闭环控制系统。电压电流单闭环控制系统可控制储能设备充电时的电压和电流,但未综合考虑逆变电流的突变引起的充电系统故障。在电压电流单闭环控制系统的基础上,该书提出了增加逆变电流闭环电路,组成逆变电流和电压电流双闭环控制系统,将控制逆变电流在极限值以内,降低因逆变电流引起的充电故障概率。

在逆变电流和电压电流双闭环控制系统中,输出的电压和电流以无线通信方式进行反馈。电压、电流的反馈延时越大,系统的调节时间越长,会导致充电过程存在不稳定性,影响储能设备的充电效率。为解决此问题,该书提出以逆变电流和电压电流双闭环控制系统为基础,将接收端的充电电压和电流分开单独控制,建立两个互不干扰的闭环控制系统,即传输和输出电压双独立单闭环控制系统。该系统由放大器、驱动电路、逆变器、谐振器、采样电路、信号传输和处理电路、高频整流器、斩波电路和储能设备等组成,可提高充电回路中电压和电流的精度,最终提升储能设备的充电效率。

3.2 单相供电电磁共振式无线充电系统

通常情况下,当用电设备的总容量在10 kW以下时,可以利用220 V低压单相交流电作为输入来供电。输入的交流电流中通常伴随着谐波电流,使电网电流受到干扰,继而影响电网电压,生成电磁干扰。为降低谐波电流的影响,该书提出在传统的单相供电电磁共振式无线充电系统的基础上,增加功率因数校正电路(PFC),并利用二极管+增强(Boost)-脉冲宽度调制(PWM)斩波控制的方式,控制输入电流的波形。该斩波控制电磁共振式无线充电系统由PFC、谐振回路、斩波电路和整流电路等组成,将输入的220 V交流电经过整流、校正、电容滤波,变为直流电,再通过斩波电路、全桥逆变电路处理,形成高频方波电压,利用电能发送、接收谐振回路,通过高频整流滤波电路处理后输出直流电,接入储能设备进行充电。在整个过程中,直流电压利用PWM脉宽调制方式进行控制,当PWM的脉宽处于零位置时,谐振回路的储能会经逆变电路转至直流侧。

3.3 三相供电电磁共振式无线充电系统

在日常生产生活中,当用电设备的容量在10 kW以上时,必须接入三相交流电来供电。由于使用场合的不同,基于三相交流电的电磁共振无线充电系统的组成和功能也有所差别。该书给出了几种典型的三相交流电无线充电系统。如三相输入全桥逆变无线充电系统,以3个单相220 V交流电作为输入,经过整流和校正后,变为380 V直流电,再通过全桥逆变电路及高频变压器,形成三路并联输入、一路串联输出,经过电能发送、接收谐振回路,通过高频整流滤波电路处理后,输出直流电,接入储能设备进行充电。在储能设备充电过程中,采样电路对电压电流执行比例-积分-微分(PID)运算,并将PID控制信号发送至发射侧通信电路,经由数字信号(DSP)处理控制电路和移相PWM控制电路处理,得到输出信号,再利用全桥驱动电路实现储能设备充电的闭环控制。基于以上理论,该书给出了具体的系统设计示例。设置3个单相交流电(180～264 V/50 Hz),系统的额定充电功率、电压、电流分别为21 kW、350 V、60 A,额定工作效率＞90%,负载为储能电池。经过计算可知,所用线圈的电感为0.343 mH,补偿电容大小为10.2 nF,整流二极管能承受的最大电压和电流至少为600 V、60 A。除了三相输入全桥逆变无线充电系统外,该书还将无源滤波器、有源滤波器加入三相无线充电系统中,利用滤波器对输入电压和电流进行处理,并转换为相应的直流电压,再经过高频滤波、整流等一系列步骤,实现储能设备的充电。

4 结语

《磁共振无线充电应用技术》一书理论联系实际,介绍了储能设备的无线充电技术,详述了电磁共振式无线充电系统及控制系统的组成、电路原理及功能,给出了储能设备的分类和充电控制方法,对单相供电、三相供电电磁共振式无线充电系统的设计方法、电路组成及工作原理进行了详细阐述,并列举了实际案例加以验证。该书内容通俗易懂,逻辑清晰,可供从事储能设备无线充电、电能传输的科研人员及高校师生参考。

书名:磁共振无线充电应用技术

作者:沈锦飞 编著

ISBN:9787111640554

出版社:机械工业出版社

出版时间:2020-01-01

定价:¥79.00元