基于副边半控整流的超级电容无线充电系统研究

李 巍

（中国铝业股份有限公司连城分公司，甘肃连城730335）

1 引言

无线充电系统具备自动化充电，强环境适应性和便捷性，能够广泛的应用于电动车，便携式设备和AGV 等以电池或超级电容为动力源的设备中[1]-[3]。以超级电容为例，为实现快速且高效的电能补充，往往需要恒流充电[4]-[5]。因此，有必要研究具备恒流充电能力的无线充电系统。本文设计一套基于副边半控整流桥的恒流充电系统，通过PI算法调节半控整流桥的移相角度，控制充电电流。

2 电路结构与理论分析

2.1 电路结构分析

如图1所示，本文提出的无线充电系统主要包括直流源，全桥逆变器（由四个MOSFET管S1～S4构成），磁耦合机构（由发射线圈L1，内阻为R1和接收线圈L2，内阻为R2构成），串串补偿结构（由原边补偿电容C1和副边补偿电容C2），半控整流桥（由两个MOSFET管Q1和Q2以及两个二极管D1和D2构成），容性滤波（由薄膜电容Co构成）和超级电容（等效电路模型为串联电阻Rs，理想电容C和等效并联电阻Rs）。

霍尔电流传感器1实时采集副边谐振线圈中电流i2（t），用于同步副边控制的PWM驱动信号。霍尔电流传感器2实时采集直流输出电流Io，通过PI算法控制半控整流桥，实现超级电容的恒流充电。

图1 电路结构框图

2.2 半控整流桥分析

如图2所示，相较于无线充电系统副边控制中常用的Buck变换器而言，半控整流桥节省一个功率电容和薄膜电容，从而能够有效地减小副边成本、重量与体积。

图2 副边用恒流充电控制电路

为简化分析，假定半控整流中的二极管和MOSFET损耗均可忽略不计；同时，滤波电容足够大能够维持恒定的输出电压。半控整流桥的工作波形如图3所示，其中，i2为副边谐振电流，ue为半控整流桥的输入电压，ue_FHA为ue的基波分量，PWM_1和PWM_2为MOSFET的驱动信号。

图3 副边半控整流桥的工作波形

分析图3中波形可知：i2与ue的相位同步，从而Re为纯阻性，保证副边半控整流桥的高效率工作，其相应的控制电路如图4所示。

图4 副边半控整流桥的PWM驱动信号

根据图3中工作波形，将半控整流桥的工作模式概括为表1。

表1 半控整流桥的工作模式

在一个工作周期内，ue的状态有三种，表达式为

其中，β是移相角度，Uo是超级电容的端电压。基于基波分量分析法，ue的有效值为

由式（12）可知，通过调节β，即可实现ue的调节，从而控制传输到超级电容的功率。根据功率平衡方程，ue推导为

2.3 充电电流分析

如图1所示，根据互感电路模型和基尔霍夫电压定律（KVL），并且假定发射线圈和接收线圈均处于谐振状态，即（ω1和ω2为发射线圈和接收线圈的谐振频率），充电电流Io的表达式为

由式（4）可知，Io是β和Ro的函数。当Ro变化时，通过调节β能够控制充电电流的恒定。为直观的分析式（4），采用 Simulink 仿真给出 Io与 β、Ro之间关系，仿真用参数与实验系统参数一致，如表2所示。

表2 系统参数

图5 充电电流仿真分析结果

由图5可知，对于不同的互感值M，当Ro变化时，通过调节β能够控制充电电流。

3 Simulink闭环仿真分析

闭环仿真结果如图6所示。根据图4中的控制电路，当Ro变化时，通过PI算法调节β实现超级电容的充电电流恒定，从而验证基于副边半控整流桥的恒流控制策略的可行性。

4 实验验证与结果分析

4.1 实验装置

如图6所示，系统实验装置主要包括原边控制器（用于产生驱动全桥逆变的四路PWM信号），全桥逆变，串传补偿电容，磁耦合机构，副边半控整流桥，控制器（用于产生半控整流桥的两路PWM信号）和超级电容等。霍尔电流传感器采集副边谐振线圈电流和直流充电电流。

4.2 实验验证

副边半控整流桥的工作波形如图7所示，实验波形由泰克示波器MDO3045B测得。由图7（a）可知，半控整流桥的输入电压和输入电流同相位，与前述理论分析一致。由图7（b）可知，在40s的时间内，充电电流为 3.01A，超级电容电压由 10.1V 增加至 22.4V。

图6 系统实验装置

图7 半控整流桥的实验波形

如图8所示，互感值变化时，系统依旧能够实现超级电容的3 A恒流充电。

5 结束语

本文设计一套超级电容的恒流无线充电系统，基于副边半控整流桥，通过PI算法控制移相角度，实现超级电容的3 A恒流充电。

图8 互感值动态变化时，恒流充电的实验波形