基于半桥谐振型的电动叉车无线充电控制

摘要：随着电动叉车在多个行业的广泛应用，探索叉车高效灵活的充电方式尤为重要，无线充电方式成为主要研究热点。文中基于半桥谐振型电感耦合式无线电能传输系统，在不改变其原有电路拓扑的基础上，提出了一种变频功率控制策略，解决无线充电过程中功率控制的难题。为验证所提出的控制策略的准确性，搭建仿真与实验平台，验证并实现了无线充电系统在10 cm范围内0～2.1 kW功率的精准输出调节。

关键词：电动叉车；无线充电；功率控制；控制策略

Wireless Charging Control for Electric Forklifts Based on Half-Bridge Resonant Topology

ZHANG Shaohuang

（ Zhangzhou Branch of Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Zhangzhou 363000， Fujian， China）

Abstract： With the widespread application of electric forklifts， exploring efficient and flexible charging methods for them has become particularly important， with wireless emerging as a major research hotspot. This paper presents and analyses the power control for a half bridge resonant inductive coupling power transfer to solve the problem of power control in wireless charging process without changing the topology. The theoretical results are verified experimentally， using a prototype of 0～ 2.1 kW inductive wireless power transfer system.

Key Words： Electric forklifts; Wireless charging; Switching power supply; Control strategy

0引言

随着电动叉车普及率逐步提升，探索研制叉车高效灵活的充电方式成为主要热点。当前，电动叉车主要采用有线充电，其过程需确保电源与车辆控制电路的安全隔离，并配置定向防护接插器以防止误操作[1]。然而，现有的人工或机械分离充电方式不仅操作繁琐，还因频繁插拔增加接口磨损，易引发接触电阻增大、过热乃至火灾风险[2]。因此，探索叉车的无线充电技术成为迫切需求，旨在消除插拔风险，显著提升充电安全性与便利性。

无线能量传输作为无线充电技术的核心，有电容耦合式、电感耦合式、辐射式三种传输方式，当前可实现高达200 kW的高效传输[3]。文中根据电动叉车充电实际需求，选择受环境影响小、可近距离大功率实现无限能量传输的电感松耦合模型，该模型工作原理框图如图1所示。

图1 " "电感耦合式无线能量传输基本框图

系统发射端先将电网工频电压整流滤波为直流电压，再利用逆变电路将直流电压逆变为高频电压作为系统激励源接至谐振器，通过LC振荡将高频电压源振荡为正弦电流信号，谐振线圈为开放式电感将电流以磁场能的方式把初级能量传送至接收端，为负载供电。

因负载所需功率变化，是直接通过谐振线圈以互感方式反射至初级，所以发送端需对传送功率进行相应的控制。D.Budgett等利用调节逆变器前端直流电压激励源的大小来达到功率的调整[4]。F.F.Van der Pijl等利用定量控制的方法调节发射端的工作状态实现功率大小的调节[5]。B.Wang提出了一种推挽式并联谐振拓扑的功率控制方式，当开关管频率低于谐振频率，则能量输入产生间断，开关频率越低则能量间断时间越长，在整个谐振周期内功率输出越小，从而达到输出功率的控制[6]。上述方法均能实现能量控制，但需改变电路拓扑或控制方式复杂。文中在不改变原拓扑的基础上提出一种基于半桥谐振逆变拓扑无线能量传输的控制策略，本控制策略可以实现输出功率从0至最大设计功率的调节。

1半桥谐振式无线能量传输控制策略

图2所示为半桥谐振基本机构，电网电压经过全桥整流滤波转化为直流并作为由S1、S2构成半桥逆变的输入端，半桥逆变利用S1、S2的交替导通将直流电压逆变为高频交流接至发射电感线圈L1，电感线圈产生高频磁场，将电能以磁场能的方式传送至无线能量传输系统的接收端。

由于系统存在开关管、二极管、线圈等非线性元器件及周边交变的电磁场环境，其工作状态存有较多非线性行为，对于电路的具体理论分析较为复杂。目前主要分析方法有基于电路原理的数学模型和描述功率传递模耦合理论[2]。模耦合理论主要从能量消耗以及散失角度上来描述无线能量的交换过程，而控制策略上往往需要更加具体的电路模态分析，因此文中主要从电路原理的数学模型对半桥谐振进行简化处理。在无线能量传输系统中，系统能量的传递主要依靠发射线圈与接收线圈之间的互感进行交互，将其以互感方式表达，简化如图3所示。

基于上面的简化电路模型，分析作如下假设：

1）开关管导通电压为0，导通电阻为0；

2）忽略开关管损耗；

3）谐振电感上无分布电容且忽略谐振电感电阻；

4）谐振电容上无寄生电感；

5）各元器件参数不随温度参数影响。

其工作模态主要可分为以下几部分：

模态0 [t0～t1]：S1导通，S2断开，此时S1零电压导通，电网电压经全桥整流滤波后经开关管S1向谐振电感线圈L1注入能量，直流电压源、S1、电感L1、电容C构成回路，电感L1与电容C发生二阶振荡；

模态1 [t1～t2]：S1断开，S2断开，S1断开瞬间与S2并联的二极管D2续流导通，电感L1通过二极管D2对电容C充电，D2的导通为下一个模态开关管S2零电压导通提供条件；

模态2 [t2～t3]：S1断开，S2导通，S2零电压导通，此时无激励源工作，电感L1与电容C发生二阶自由振荡；

模态3 [t3～t4]：S1断开，S2断开，S2断开瞬间与S1并联的二极管D1续流导通，电感L1通过二极管D1对电容C反向充电，D1的导通为下一个模态开关管S1零电压导通提供条件。

针对系统简化图3，具体电路分析如下：

对于能量发射端及能量接收端，根据基尔霍夫电压定律：

（1）

（2）

其中L1、L2分别为初级和次级谐振电感，R1、R2分别为初级次级谐振电感内阻，为激励电压源U的角频率，M为初级与次级之间互感。

由公式（1）及公式（2）化简可得：

（3）

则输入功率为：

（4）

其中半桥的前半周期与后半周期为对称过程，采用对称控制的方法，一方面可以防止谐振线圈发生偏磁现象，另一方面可以保证上下开关管工作状态一致具有相同的器件利用率，延长系统使用寿命。

由模态分析的过程可知，t0～t1时间为能量注入的前半周期，t2～t3为能量注入的后半周期，当时，系统的等效阻抗为纯阻性，电感互感及电容组成的等效阻抗为0，此时功率为最大值输出，称为全功率模式[2]。而只有当t0～t1时间小于谐振周期的一半时对应二极管D1、D2可续流，即可实现两个开关管的零电压导通，因此本控制策略也是基于此条件下实现。

由公式（4）可知功率与上下开关管导通时间及工作周期相关，文中基于对称的控制方法，通过控制工作周期T及开关管导通t0～t1=t2～t3时间，达到功率控制目的。由于死区时间远小于能量注入时间，可忽略，因此可简化成上下管导通比为50%的互补的PWM。当t0～t1减小即增大时功率P也减小，通过减小PWM的周期可降低功率输出，以下通过对比全功率模式图5（a）及小功率模式图5（b）进一步阐述本控制策略：

图5中（a）与（b）上图为谐振电感L1电流波形IL，中图为S1驱动电压波形PWM，下图为电容C电压波形Uc；

当[t0～t1]时，全功率模式时间（-）为谐振周期一半，谐振电感L1与C发生二阶振荡，在前（-）时间内，电感电流IL由0增加至最大值，电容电压由最大值减小为0，电容C能量向电感迁移，在后（-）时间内，电感电流IL由最大值减少至0，电容电压Uc由0增加至最大值，电感能量向电容C迁移，在整个[t0～t1]内电源为谐振注入能量；对于小功率模式下，在进入模态0之前电感L还残留一部分能量IL不为0，这是由于小功率切换频率较快导致，电感L先将能量通过二阶振荡转移至电容C，之后电容C对电感L充电，使IL由0开始正向增加，其特征与二阶振荡一致，与全功率模式不同的是此时开关切换速度较快。电感电流未完成半个周期的谐振状态，即进入下一模态，电感电流此时为正，从图5（a）和图5（b）的对比可以得知，全功率模式下流经电感的电流IL有效值大于小功率模式，且小功率模式下随着-的增大，IL的有效值越大；

当[t1～t2]时，此模态下时间极短，为防止电源短路，给S2提供0电压导通条件，全功率模式下在t1瞬间IL接近但不为0，此时D2才可续流导通，小功率模式下与全功率一致；

[t2～t3]和[t3～t4]阶段，与[t0～t1]及[t1～t2]对称的过程，不再赘述。

其中小功率的模式周期为全功率模式1/2，由于系统中谐振电感L和电容C上能量无硬切换，主要以无功形式储存无能量损耗，因此也可以用电感电流IL的有效值来表示输出功率。开关管PWM切换频率越大，IL对应有效值越小，输出功率越小。

文中控制方法可以综述为利用控制开关管的导通时间实现能量的控制，主要具备以下特征：

1）控制上管与下管交替导通，为互补的两个PWM对开关管进行驱动，导通时间相等接近50%。

2）上管与下管导通时间小于谐振周期的一半，以保证开关管的0电压关断。

3）在开关管性能参数允许下，上下开关管开关频率由最大减小至最大功率对应开关频率（LC谐振频率），实现功率从最小至最大的无极控制。

2 仿真与实验验证

2.1 电路仿真

通过上述分析，文中采用saber2007仿真软件进行无线能量传输系统的仿真，仿真电路如图2所示，具体仿真参数如表1所示，为简化功能去除PID等功率控制环节直接人工匹配相应PWM，实现相应功率下的输出。

图6为各个频率下的仿真波形，上图波形为输出负载电阻两端电压波形，直接反应能量接收端输出功率的大小；中图波形为半桥谐振变换器上管驱动电压波形；下图为初级电感电流波形，直接反应能量发射端输出功率变化情况。其中图6（a）、（b）、（c）分别代表开关管驱动频率为12.5、10.5、10kHz下的仿真波形图。图6（d）为全功率模式下的仿真波形对应开关管驱动频率为9.5kHz。当控制开关管的驱动电压频率越高，输出电阻电压波形越大输出电压就越高。验证此控制策略的正确性。

2.2实验装置及结果分析

针对电动叉车的无线充电需求，以图2为电路模型设计并搭建了一套基于半桥谐振型电感耦合式无线传输技术的实验装置，装置将220V交流电压作为输入源，利用钨丝灯作为负载以模拟电动叉车无线充电时的能量消耗，实验装置如图7所示。具体元器件的参数与仿真电路参数一致，如表1所述。单片机直接产生PWM信号驱动IGBT驱动模块，实现电路的工作，其中能量发射电感线圈与能量接收电感传输距离为10cm，全功率模式下可实验2.1kW功率传输。不同开关频率下的实验波形如图8所示。

图8中不同频率下的实验波形与图6中不同频率下的仿真波形一一对应，分别代表12.5、10.5、10kHz及全功率模式下9.5kHz开关频率下的变化趋势图。由仿真及实验图可知，通过控制开关管PWM的切换频率可以实现功率的调节，其具体工作过程与模态分析基本一致。

3结论

文中提出应用于电动叉车无线充电中基于半桥谐振拓扑的无线能量传输的功率控制策略，通过控制半桥谐振逆变拓扑中开关管通断频率实现功率的控制，其本质是控制输入平均电流从而达到输出功率的大小。无需在发射及接收端增加额外元件使设备体积增大，具有能量调节方式简单、便捷等优点，并利用仿真和实现验证了此功率控制策略的可行性。

参考文献

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