松耦合感应电能传输恒功率输出控制策略

李 曜 龚中良

(中南林业科技大学机电工程学院,湖南 长沙 410004)

松耦合感应电能传输恒功率输出控制策略

李 曜 龚中良

(中南林业科技大学机电工程学院,湖南 长沙 410004)

在一些松耦合感应电能传输技术应用领域，需保持负载功率恒定不变。松耦合变压器的初、次级线圈相对位置的变化将会引起松耦合线圈间的互感发生变化，导致次级回路的负载功率发生相应变化。通过对松耦合感应电能传输系统的分析，对恒功率无线能量传输的恒功率补偿策略进行了研究，提出了两种恒功率控制策略。同时，利用PWM控制实现了逆变器输出电压的自动调节，为负载恒功率输出控制电路设计奠定了基础。

无线能量传输 恒功率控制 PWM控制 互感 反馈调节 稳压控制

Voltage stability control

0 引言

随着对无线电能传输的深入研究，新型的能量传输方式——松耦合无线能量传输应运而生,并得到了初步应用，如无线充电器[1-2]、电动车充电[3-4]、植入式医疗装置[5-6]等，但还不够成熟。

在国内,目前对无线电能传输技术的研究处于起步阶段,研究方向主要还处于理论研究阶段，集中在系统建模、变压器参数设计、谐振频率以及补偿电路、传输系统分析等方向。如武瑛分析研究了系统补偿拓扑、运行频率及负载参数对系统性能的影响[7]；庞明鑫基于 ANSOFT Maxwell 2D 仿真软件,分析了制约松耦合感应能量传输系统传输效率的关键因素[8]；吴嘉迅利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导，得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素[9]；张峰着重对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究[10]；郑颖楠[11]对影响松耦合变压器的耦合系数的磁芯材料、磁芯形状、绕组位置、气隙大小等主要因素进行了仿真分析；Huang[12]对电动汽车电池充电的 IPT 系统要考虑的实际问题进行了分析研究。

显然，上述针对松耦合无线能量传输系统的功率输出特性及保证输出功率恒定等方面的研究甚少。实际上，许多设备在使用过程中，初、次级线圈的相对位置是不断变化的，如人工心脏的体外机与体内机在工作时就不可能保证两者之间的位置恒定，而体内机所需的功率要保证基本恒定。因此，在研究松电磁耦合能量传输特性的基础上，制定恒功率无线能量传输的功率补偿策略很有必要。

1 恒功率输出控制策略

设原边绕组角频率为ω，电流有效值为IP，根据耦合关系，二次侧电路接受绕组将会感应出电压U=jωMIP,相应地，诺顿等效电路短路电流为：

(1)

则副边功率为：

(2)

式中：Q为品质因数；M为互感。

根据文献[13]可知，互感为：

(3)

故当松耦合变压器其他参数不变,空间线圈距离d发生变化时，互感M发生变化，功率PS也发生相应变化。

本文主要考虑当原、副边线圈位置发生相对变化时(小范围内)，其他参数不变的情况下，负载恒功率输出的控制策略。假设松耦合感应电能传输系统设计时，原、副边线圈位置一定，正好满足负载的额定功率。当原、副边线圈间的相对位置增大时，互感将变小,由式(2)可知副边线圈接收到的功率PS会小于负载额定功率PR。为使负载功率PR恒定，需对副边功率进行补偿。

1.1 闭环反馈控制

控制原理如图1所示。功率监视芯片MAX4211将采集得到的表示负载电流和电压的电压值，通过乘法器相乘得到表示功率的电压值输出。输出电压的计算公式为:UPOUT=AVURUIN。其中UPOUT为功率监视器的输出电压，AV为功率监视器中放大器增益值，UR为采样电阻R两端的电压值，UIN为功率监视器的输入电压。

图1 闭环反馈恒功率控制原理图

将采集到的电压UPOUT与参考电压比较，经比较器处理之后送入PWM控制芯片的电压反馈端,由内部放大器放大,经内部滤波器滤波后输出。调整高频逆变器开关的导通时间，提高输入电压，从而增大副边的感生电动势，使负载功率保持不变。原、副边可采用无线通信技术实现功率监视采集信息的传递。

1.2 原边反馈控制

由式(1)可知，调节原边线圈电流IP的大小可以改变副边线圈获得的感生电动势，从而调节负载获得的功率。通过仿真测试原、副边线圈的相对位姿发生变化，得到原边电流IP与互感M(相对位置)的变化关系。在此基础上，检测原边电流IP便可知两线圈的相对位置关系，即可知此时两线圈的互感M，同时也可得到副边电流IS的大小。故可采集原边电流IP，根据已知的IP与互感M的关系，确定互感M值。要保证负载功率恒定不变，只要保证副边电流IS大小不变即可。将采集到的原边电流IP转化成电压后与参考电压比较，经比较器处理之后送入PWM控制芯片的电压反馈端,由内部发射放大器放大,经内部滤波器滤波后输出,提高原边电流IP，使副边电流IS大小不变，即负载功率恒定。

原边反馈控制原理图如图2所示。

图2 原边反馈控制原理图

闭环反馈控制直接通过监测负载的功率变化来实时调整原边输入电流，方法简单、稳定，但是原、副边是相对分离的，故给原、副的信息通信需采用无线通信，增加了电路设计的难度与复杂性。而原边反馈控制直接通过检测原边电流的变化，电路简单。

次级电路接收到感应电压后,经过整流电路将交流电压变为直流电压为负载供电。为保证输出功率的稳定性,在整流电路中增加了电压调整电路,本文采用串联反馈稳压电路来实现稳压控制。稳压控制电路如图3所示。

图3 稳压控制电路

稳压控制输出分析。当负载两端电压变化时，ζΡΛ↑⟹ζΡ3↑⟹ζΦ↑⟹ζΒ↓⟹ΙΧ↓⟹ζΧΕ↑⟹ζΡΛ↓；反之，当VRL减小时，经过此电路可使VRL增大，从而达到一个动态稳定。负载在一个动态稳定的功率下工作。

2 补偿控制设计

改变逆变器的通断时间便可改变输出电压大小，即改变PWM控制器的占空比。图4为逆变器电流测量电路。通过PWM控制器改变占空比来控制IGBT的通断时间，从而改变输出电流的大小。

图4 全桥逆变电路

全桥逆变电路通过PMW脉冲发生器来控制全桥逆变器的4个IGBT的控制脚g，从而控制IGBT的导通时间。图4中,PWM 脉冲发生器可直接改变输出脉冲的占空比，或在有输入电压时，可经内部比较后，使输出脉冲占空比随着输入电压的变化而变化。图5、图6为全桥逆变电路在不同占空比时输出电流随时间的变化关系仿真图。由图5和图6可知，在其他参数保持不变的情况下，当占空比改变时，输出电流会发生相应的变化，输出电流随占空比的增大而增大。

改变占空比即可改变输出电流的大小。当负载功率发生变化时，可改变逆变输出的电流大小来保持负载功率恒定。通过监视检测负载的功率，并转化成相应的电压送入PWM控制的电压反馈端，与参考电压比较后，实时改变PWM控制器的占空比，从而提高原边电流，使负载功率保持恒定输出。电路如图7所示。

图5 占空比为0.6时输出电流随时间的变化关系

图6 占空比为0.8时输出电流随时间的变化关系

图7 恒功率反馈控制电路

恒功率反馈控制电路通过电压测量负载RL两端的实时电压，并将其送入PWM 调节器的电压输入端与参考电压比较后，改变输出脉冲的占空比，从而改变全桥逆变器IGBT的控制脚g的输入脉冲，最终改变逆变器的输出电流。

3 结束语

在很多应用场合，松耦合变压器的原、副边线圈的相对位置是变化的，恒功率输出控制对于无线能量传输具有重要意义。在对松耦合无线能量传输系统的深入研究的基础上，提出了两种能满足负载恒功率输出的控制策略，对负载恒功率输出控制电路进行了设计。但对于电路的干扰没有考虑，可对此电路进一步改进设计。

[1] Dai D,Liu J.Design of apractical human-powered contactless charger for cellphone[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2013,59(3):476-482.

[2] 李娟,郑美芬,张宇,等.无接触手机充电平台的设计[J].机电工程，2012,29(1):90-93.

[3] 姜竹胜,陈军.无线充电技术在电动汽车上设计及应用[J].电气时代，2012,5:26-29.

[4] Lee S.Dynamics characterization of the inductive power transfer system for online electric vehicles by Laplace phasor transform[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(12):5902-5909.

[5] 熊慧,陈旭,刘俊利.高效率医疗植入式刺激装置无线充电系统[J].电源技术与应用，2012,38(12):54-56.

[6] 李杨,黄平.多维无线能量传输体内微机电系统的设计与实验研究[J].现代制造工程,2010(7):101-104.

[7] 武瑛,严陆光,黄常纲.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术，2003，22(4):11-13.

[8] 庞明鑫,高晓旭,王时英.松耦合感应式电能传输技术的应用研究[J].机械工程与自动化,2010(5):121-123.

[9] 吴嘉迅,吴俊勇,张宁.基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究[J].现代电力,2012,29(1):24-28.

[10]张峰,王慧珍.非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究[J].电源技术应用,2007,10(4):54-58.

[11]郑颖楠,陈红,张西恩.非接触电能传输系统的松耦合变压器实验研究[J].电工电能新技术,2011,30(1):64-67.

[12]Huang Changyu,Boys J T,Covic G A,et al.Practical considerations for designing IPT system for EV battery charging[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,2009:402-407.

[13]黄诗宗,汤宁平.基于磁耦合谐振无线能量传输系统传输效率的研究[J].电气技术,2013(2):23-26.

Constant Power Output Control Strategy for Loosely Coupled Inductive Power Transmission

In some of the application areas of loosely coupled inductive power transmission technology, constant load power needs to be maintained. The changes of the relative position between the primary and secondary coils of loosely coupled transformer may cause mutual inductance between the loosely coupled coils change, thus the load power of the secondary loop changes. Through analyzing the loosely coupled inductive power transmission system, the constant power compensation strategy of the constant power wireless energy transmission is researched, and two kinds of such strategies are proposed. In addition, the automatic regulation of the output voltage for inverter is implemented by using PWM control; this laid the foundation for designing load constant power output control circuit.

Wireless energy transfer Constant power control PWM control Mutual inductance Feedback regulation

湖南省科技计划基金资助项目(编号：2012GK3144)；

湖南省研究生科研创新基金资助项目(编号：CX2014B336)；

中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目(编号：CX2014B12)。

李曜(1989-)，男，现为中南林业科技大学机械工程专业在读硕士研究生；主要从事机械电子方面的研究。

TM45

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505004

修改稿收到日期：2014-11-08。