基于功率流控制的机载座椅娱乐系统无线电能传输技术研究

刘伟

【摘 要】为提高民用飞机机载座椅娱乐设备的可维护性，便于拆除维护，降低负载频繁起动对飞机电网的冲击，本文给出了一种不需要电缆连接的机载供电技术为民用飞机乘客娱乐系统提供电能。该技术采用移相功率流控制实现无线电能传输调节，并给出了功率关于移相角的函数关系式。在此基础上，进一步通过实验演示系统进行验证分析，给出了相关的试验波形，并将最终的试验数据与理论分析结果做了比较，验证了本文提出的基于功率流控制的无线电能传输控制技术的可行性。

【关键词】机载娱乐系统；无线电能传输；移相控制；功率流

Research of Wireless Power Transfer Technology Based on Phase-shift Power Flow Control Method for Onboard Seat

Entertainment System

LIU Wei

（Department of Electric System Design Research，SADRI of COMAC，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to enhance maintainability of onboard seat entertainment equipment and reduce power inrush to the aircraft electrical power network， this paper presents a power supply technology without of wiring connection for civil onboard entertainment system.The phase-shift power flow control method is used for wireless power transfer，And it analyzes the contribution of phase-shifted control in wireless power transfer power flow control by giving the function expression between the system power and the phase-shift angle in detail.Moreover，a practicality experiment and some experimental waveforms are presented.Finally，the result of the experiment is compared with the theoretical analysis to verify feasible of given power flow control solution for wireless power supply.

【Key words】Onboard entertainment system；Wireless power transfer；Phase-shifted control；Power flow

0 引言

民用航空运输的普及，促进了民机机载娱乐系统的发展，不断提升乘客的体验舒适度。在运营过程中，机载系统的维护性越来越被航空公司所重视，传统的乘客座椅娱乐系统采用机上敷设线缆与座椅直接相连的供电方式，这种方式势必导致飞机维护中大量线缆维护工作量，同时线缆和连接部件的重量会大大增加，降低飞机的经济性和可维护性。本文基于感应式无线电能传输技术给出了一种机载座椅娱乐系统供电的方法，在座椅的底座结构进行电能无线提取处理，如图1所示。相比传统的接触式电能传输方式，该技术具有可靠性、安全性高，无需电路连接维护，能够实现完全气密性、防水易维护以及可实现无人化管理等优点[1]。

功率流控制在无线电能传输系统的研究中是十分重要的一环。这是由于：在系统的启动阶段，减小系统的输入功率可以有效地减小对系统的冲击[2]，机载娱乐系统的总功率相当于机载单台发电机容量的十分之一左右，有效降低对飞机电网的冲击，确保飞机电网供电稳定至关重要；另外，当乘客在使用娱乐系统时，系统的负载参数会变化时，可以通过引入闭环控制，来使系统的输入功率也作相应的变化，从而提高系统的利用率。

本文以移相控制作为功率流控制的方法。通过理论推导，从理论上对该方法作了分析，在此基础上将该控制方法运用到实物演示系统中，并通过相关实验验证了该方法的可行性。

1 感应式无线电能传输系统的结构及原理

大功率无线电能传输从原理上可分为电磁感应式、微波式和磁共振式两种。本文所研究的无线电能传输是以电磁感应方式将原边电能传输至副边。其系统结构框图如图2所示。

图2中，先将机载三相交流电压经整流模块变换成直流电，再将得到的直流电送入H桥谐振逆变器，以得到高频的交流信号。此信号作为互感线圈的原边输入，通过电磁耦合为副边的负载提供电能。H桥逆变器的驱动信号由控制器根据原边的状态信号加以控制，以达到功率流的闭环控制。

由于经H桥输出的是交流方波信号，如不经过处理直接输入至互感线圈会造成大量损耗并且会使系统的EMI过高，因此在实际系统设计时，在原边和副边侧都需要加入补偿网络，如图3所示。

在原边侧串入补偿电容C1，使C1与互感线圈在原边侧的等效电感在基频处产生串联谐振。此时，原边电流i为基频正弦量，从而大大减小了电能在感应传输过程中的高次谐波。同时在副边并联一个补偿电容C2。电容C2与互感线圈副边的等效电感在基频处产生并联谐振，使得最终副边处得到电压VL为基频交流量。

2 移相功率流控制

在通常情况下，如不对系统加以功率流控制，则控制器只需分别对H桥中的VT1、VT3与VT2、VT4加以脉宽为50%，相位差180°的驱动信号即可。此时，各MOSFET的驱动波形、H桥输出电压波形以及原边电流波形如图4所示。

其中，原边电流i由于补偿电容C1的作用变为基频正弦波。控制VT3、VT4的驱动电压，使其向前移动α相角，得到如图5所示的输出电压波形Vo。

3 实验验证

为了验证上述对移相控制在感应式无线电能传输系统功率流控制中的研究和分析的正确性，本文将移相控制方法应用到一个感应电能传输的样机系统中。通过测量在不同移相角α下，负载所获得的实际功率，并与（16）式所得的负载功率理论值进行比较，验证理论推导的正确性。

实物系统的运行参数如下：直流电压Vdc=25V；H桥驱动频率f=10kHz；原边电感L1=160μH；副边电感L2=126μH；互感M=75μH；原边补偿电容C1=2.22μF；副边补偿电容C2=2μF；负载RL=27Ω；传输效率η=88.64%。

当移相角α=0 rad（即未移相）时，所得的实验波形如图6所示。

（a）H桥输出电压波形

（b）负载电压波形

图6 移相角α=0 rad时的实验波形

Fig.6 The experimental waveforms with phase-shift angle α=0 rad

图6（a）中，H桥输出电压波形与图3中所描述的一致。图6（b）的负载电压波形也与前面分析的一样，在补偿电容C1、C2的作用下为基频正弦波。从图中可以读出负载电压的有效值为：VL=35.4V。因此，负载功率的实际值为：

当移相角α=0.5π rad时，所得的实验波形如图7所示。

（a）H桥输出电压波形

（b）负载电压波形

图7 移相角α=0.5π rad时的实验波形

Fig.7 Experimental waveforms with phase-shift angle

α=0.5π rad

图7（a）中，H桥输出电压波形与图4中所描述的一致。从图6（b）中可以看到，此时负载电压的有效值比之前没有移相时的情况有了明显的减小，可以读出此时其值为：VL=24.3V。因此，负载功率的实际值为：

同理，测得在不同移相角α下负载电压的有效值，并计算出负载的实际功率与理论功率值，如表1所示。

表1 不同移相角α下的实验数据记录

Tab.1 Experimental data with different α

根据表1所得的实验数据，绘制负载功率的实际测量值关于移相角α的关系曲线，并与由（16）式所得的PL-α曲线相比较。如图8所示。

图8 PL-α实测曲线与理论曲线的比较

Fig.8 The comparison between the experimental PL-α curve and the theoretical one

从图8可见，实验测得的PL-α曲线与由（16）式得到的理论曲线基本一致。因此，在实际应用中可以（16）式作为座椅式机载娱乐系统无线电能传输技术功率流控制的理论依据。

4 结束语

本文通过讨论移相控制对感应电能传输功率流控制的作用，推导出了系统功率关于移相角的函数表达式。在此基础上将本控制方法应用到演示系统中，给出了相关的实验波形及实测的PL-α曲线与理论计算曲线的比较。实验结果表明：理论分析与实际实验趋势一致，从而验证了理论推导的正确性，为机载娱乐无线电能传输技术提供了一个切实可行的方案，为提高民机机载娱乐系统可维护性，限制娱乐系统频繁起动对飞机电网的冲击提供了可行的路径。

【参考文献】

[1]A.P.Hu.Selected Resonant Converters for IPT Power Supples[D].Ph.D thesis，the University of Auckland， New Zealand，2001，10.

[2]A.P.Hu，G.A.Covic，J.T.Boys.Direct ZVS Start-Up of a Current-Fed Resonant Inverter[J].IEEE Trans.On.Power Electronics，2006，5，21（3）：809-812.

[3]Wei Liu，Houjun Tang.Analysis of Voltage Source Inductive Coupled Power Transfer Systems Based on Zero Phase Angle Resonant Control Method[J].Industrial Electronics and Applications，ICIEA，2007，5：1873-1877.