基于母线电流与效率跟踪的无线电能传输控制方法

钱 强,郑 义,陈 茗,招子键

(北京师范大学珠海分校，广东 珠海 519087)

0 引 言

无线充电相比于有线充电来说，避免了电源电线过于频繁的使用和导体露出所带来的一系列的问题，没有了充电系统设备摩擦损耗，减少了触电的危险，提高了耐用性、安全性和电能传输的方便性。最突出的一点是无线充电电能传输不受周围环境因素的影响与制约，这便使得无线充电设备比有线充电设备更灵活、更可靠以及使用寿命更加长久。正因如此，无线充电拥有着有线充电无法比拟的优点，这让无线充电技术在不同领域的应用占有优势。无线充电越来越受到来自不同领域的关注，有关技术的研究与应用在全国各地各类工科院校、科学研究院和各大高科技智能电子企业等已普遍着手研究与开发，无线电传输技术在加快地发展，并且部分研究成果已经开始投入使用。

目前无线充电技术难点集中在：

(1)无线充电的电磁屏蔽问题。文献[1]比较了国际上的电磁辐射暴露限值导则和国内相关的主要标准，综述了目前主要的磁共振式无线电能传输技术的系统结构、电磁场研究中参考的人体解剖模型、电磁场分布的数值计算和仿真方法。文献[2]研究了3 kW谐振式电动汽车无线充电系统产生的电磁辐射，仿真结果表明车载接收装置没有必要再额外增加屏蔽层，外侧水平屏蔽方式适用于汽车充电，没有讨论屏蔽设施对充电效率的影响。文献[3]设计了一套带有屏蔽的电动汽车无线充电能量耦合机构，有限元计算和实验结果验证了该方法的可行性，增加了汽车底盘的设计难度和系统谐振控制复杂。文献[4]研究了谐振式无线电能传输在自由空间下的电磁场分布，并以电动汽车无线充电系统为例，通过仿真计算了系统对人体各个器官的影响。文献[5]研究了金属薄板在磁场耦合WPT中的最佳磁场屏蔽方法，对磁场分布和电学性能进行了预测，实现了考虑系统效率、传输功率、传输距离和系统尺寸的最佳磁场屏蔽方法。文献[6]提出了一套新的高频低谐波电流的线圈设计公式, 并为大功率无线传输系统的低漏磁场设计了新的方法，对一千瓦级高尔夫球车WPT系统进行了磁场屏蔽的磁耦合线圈的优化。实际测量结果证明了该线圈设计公式和WPT系统的高频和低磁场泄漏的方法的有效性。

(2)无线充电的标准化。2016年3月，国际自动机工程师学会(SAE International)发布了混插式以及全电动汽车无线充电技术的行业标准SAE TIRJ2954，这是电动汽车无线充电方面的第一个行业标准，规定85 kHz是轻型汽车充电系统常用的频段，四个等级的无线能量传输水平(3.7 kW、7.7 kW及未来使用的两个等级)。

(3)无线充电装置间异物检测问题。金属异物混入系统中，涡流效应会产生涡流损耗导致金属体温度升高，严重威胁系统安全。文献[7]使用3D有限元电磁场仿真软件Comsol针对金属异物对无线能量传输系统的影响进行仿真分析，利用发射线圈的Q值变化来判断是否存在金属异物，不足在于系统需要增加一套电感检测装置。文献[8]研究了金属障碍物的设置对系统附近磁场的影响，通过调节可调电容，可以使系统输出功率大致恢复到无障碍物时的水平。

(4)无线充电效率跟踪控制。文献[9]提出了一种单侧功-频在线控制策略，利用初级侧输入电压相量和输入电流相量的关系对负载性质和大小进行辨识，调节输入电压频率和幅值以保持系统在新的谐振频率点下传输功率一致，仿真和实验结果表明,所提出的控制策略能够准确地实现谐振频率的跟踪和传输功率的恒定。文献[10]应用粒子群优化策略PSO，通过迭代求解粒子适应度函数，获得全局最优解，实现系统最大效率跟踪控制，不足在于适应度函数的选择比较困难。文献[11]给出了发射侧逆变电路中开关管的移相角、接收侧Buck-Boost电路中占空比以及系统能量传输效率三者之间的关系，提出了一种基于仿人智能控制的发射侧移相控制策略,通过变步长方式寻获系统输入功率最小点、系统工作于最优效率点，没有考虑器件谐振参数变化的问题。

本文设计了一套3kW无线充电系统，在确定电路结构、谐振补偿方式的基础上，针对目前无线充电效率跟踪控制方法的不足，基于联合仿真技术，利用软件Ansys Maxwell、Simplorer建模分析了提出的新控制策略，即通过检测发射侧整流后母线电流，判断系统DC-DC效率来调整逆变器的PWM占空比与开关频率。文中常规传输距离为10 cm，并以异常20 cm远距离非正常输电情况下检验控制策略能否实现安全保护。

1 无线充电控制方案

1.1 主电路

考虑到本设计为大功率无线充电装置，在三种无线充电方式中选择对人体无害、传输距离适中的谐振无线充电方式。以现有技术而言，一般可以实现1 m左右的室内电能传输距离。

图1 无线充电过程示意图

进行无线充电，一般需要以下步骤：

(1)需要将交流市电转化为所需的平稳的直流电；

(2)需要使得发射部分和接收部分工作频率一致，使其进行无线能量传输，产生谐振；

(3)接收部分收到的是交流电，无法直接给电器进行充电，需要经过整流、调压等环节。根据以上的三点分析，将无线充电装置分为发射侧、谐振网络、接收侧。

1.1.1发射侧

在发射侧接入的电流为交流电，因此需要整流，整流电路的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电，经过整流后的电压(电流)仍然是有波动的直流电，通常要加滤波器减少波动，滤波电路的作用是平滑直流电。逆变电路采用桥式结构，采用4个高速MOS管。

1.1.2谐振网络

谐振网络，直接用发射线圈和接收线圈进行电能的传输，会使得能量传输效率低下，为使两侧更易发生谐振，通常采用电容对发射线圈和接收线圈进行无功功率补偿。

补偿电路分为串联补偿电路与并联补偿电路。串联补偿电路：在线路中串联电容器，改变其阻抗特性，增强能量传输效率。串联补偿电容器直接控制输电线路。同时提供了无功补偿。并联补偿电路：并联电容器或电抗器，可以在线路中产生或吸收无功功率，从而提供无功功率，可以很好的控制电压，但对系统的纵向潮流控制能力较弱。

常见谐振网络有这几种结构：串串S-S、串并S-P、并并P-P和并串P-S，以及多重谐振LCL-LCL。从最佳传输距离和效率的角度来看 , 串串S-S结构和串并S-P结构性能较好。通过电路补偿后，降低了电压电流应力，提高功率传输能力及效率，减小系统对变参数的敏感性。本文设计采用串串S-S结构。发射侧线圈自感Lp，接收侧线圈自感Ls，线圈盘互感M，发射侧谐振补偿电容Cp，接收侧谐振补偿电容Cs，系统开关频率为ω0，谐振网络输入电压U1，与输出电压U2间相位角差为θ，负载电阻RL。

谐振频率为

耦合系数为

输出电流为

输出电压为

系统传输功率为

从式(3)～式(4)可看出，SS谐振网络输出电流、电压与线圈盘互感M成反比，而互感又与间距成反比，故输出电流、电压与间距成正比。当线圈盘间距极大时，输出电流电压可能会无限大，就必须对其进行控制。

1.1.3接收侧

对于接收侧，通过谐振网络接收来自发射侧的谐振信号，高频交流电再通过快恢复二极管的整流，成为直流电。

1.2 控制方案

控制部分是此系统重要的组成部分，需要协调各模块工作，以达到最大传输效率，让系统处于最佳状态。其中，发射侧控制部分需要采集发射侧与接收侧的母线电压电流，计算得到DC-DC效率，输入到PWM模块，控制逆变电路开关管，从而实现对系统的效率跟踪控制。

1.2.1控制算法流程

图2 控制流程图

1.2.2PWM模块

无线充电装置的发射端逆变电路的四个MOS管需要4路PWM驱动信号，通过调节PWM波形的占空比和频率，就能得到合适驱动波形。上电后，输出100 kHz占空比为0.1的PWM波，每过一个特定的时间(5 ms)，占空比增加一个步长(0.01)，同时不断的采样发送侧和接收侧的母线电流电压，等发射侧母线电流到达最大值或逆变桥占空比达到0.5时，保持当前占空比，继而进入调整频率阶段，每过一个特定时间(5 ms)，频率增加一个步长(0.1 Hz)，此时比较发送装置和接收装置的能量传输DC-DC效率，如果效率增加，频率就适当增加，如果效率减少，频率就适当减少。

1.2.3采样模块

发射侧控制器的保护和控制需要采集4路电气信号：发射侧整流母线电压、发射侧整流母线电流、发射侧谐振线圈电压、发射侧谐振线圈电流；接收侧控制器采集4路电气信号：接收侧整流母线电压、接收侧整流母线电流、接收侧谐振线圈电压、接收侧谐振线圈电流。

2 瞬态电磁场有限元建模

2.1 线圈盘的Maxwell瞬态电磁场建模

通过反复比较传输功率和装置体积，确定采用的发射侧和接收侧线圈盘尺寸相同，外径20 cm，内径6 cm，厚度1 cm，绕线匝数为25匝，材料为copper，没有放置铁氧体屏蔽体。如图3所示。考虑两线圈盘间的距离为10～20 cm，利用Maxwell3D有限元仿真得到，线圈盘自感为160 uH，互感为10～40 uH，即耦合率为6%～25%。

图3 线圈盘Maxwell电磁场模型

2.2 基于Simplorer的控制算法建模

如图4所示，采用E1直流电380 V接入全桥式逆变电路(忽略发射侧整流电路)，4个MOSFET管MOS1～4采用移相控制，其驱动信号G1～4由前文控制方案得到。采用串串S-S谐振补偿电路，Cp、Cs是谐振补偿电容16 nF，Rp、Rs是发射侧和接收侧线圈盘绕组的电阻1.3 Ω。整流后接入负载电阻30 Ω。仿真时间500 ms，仿真步长10 ns。

3 联合仿真分析

发射侧和接收侧线圈盘常规相距10 cm，PWM固定占空比为0.5，开关频率固定为100 kHz时，如图5(a)～图5(c)所示，基本稳定后发射侧直流母线电压380 VDC，电流13.1 A，输入功率4994.6 W。接收侧负载RL直流电压344.9VDC，电流11.5 A，输出功率3965.4 W，即无线充电DC-DC的效率是79.4%。

发射侧和接收侧线圈盘相距10 cm，采用本文控制方法时，占空比从0.1自动调整到0.5，之后开关频率自动调整，如图6(a)～图6(e)所示，基本稳定后开关频率是97.8 kHz，发射侧整流后母线电压380VDC，电流13.9 A，输入功率5281.6 W。接收侧电阻负载电压365.5 VDC，电流12.2 A，输出功率4453.2 W，即无线充电的DC-DC效率是84.3%，效率提高4.9%。

图4 无线充电系统模型

图5 10 cm距离无控制时的无线充电仿真波形

图6 10 cm距离本文控制方法时的无线充电仿真波形

在某些突发情况下，如果发射侧和接收测距离发生变化，互感降低，线圈电流将随之升高，在极限情况时，当副边消失时，原边电流将增到无穷大。假设发射侧和接收侧线圈盘相距20 cm。若PWM占空比仍固定为0.5，开关频率仍固定为100 kHz时，如图7(a)～图7(c)所示，稳定后发射侧母线电压380 VDC，电流113 A，输入功率43210.2 W。接收侧负载电压747.5 VDC，电流24.9 A，输出功率18625.3 W。显然，传输功率和线圈电流过大将导致元器件烧毁，即没有进行控制约束的无线充电失败。

图7 20 cm距离无控制时的无线充电仿真波形

当发射侧和接收侧线圈盘相距20 cm，采用本文控制方法时，占空比会从0.1自动调整到0.37，即移相23.4°，之后开关频率自动调整，如图8(a)～图8(e)所示，稳定后开关频率是105 kHz，发射侧母线电压380 VDC，电流27.9 A，输入功率10635.6 W。接收侧负载电压164.2 VDC，电流5.5 A，输出功率898.6 W，无线充电的效率是8.4%。虽然随发射侧和接收侧线圈盘间距离增加而效率明显降低，采用本文控制方法后，发射端电流得到很好的控制，可以安全实现无线充电过程。

图8 20 cm距离本文控制方法时的无线充电仿真波形

4 结 语

本文分析了无线充电的电路结构、谐振补偿、控制算法等关键技术，设计了一套3 kW无线充电系统，利用Maxwell软件建立线圈盘模型，利用Simplorer建立无线充电的控制回路，并进行联合仿真分析了距离常规10 cm、异常20 cm的传输性能。结果表明电流得到有效控制，系统输出实现闭环控制。另外数据表明，接收侧电压在165～365 V变化，因此在负载处可增加Buck-Boost升降压电路，来实现稳定输出电压。本文提出的效率跟踪控制方法可应用在无线充电的家用电器和电动汽车等领域。