一种面向多供电模式的输电控制策略和能量传输频率优化算法

马晓红　朱玉锦　李慧聪　丁学田

摘 要：为了提高交流电源供电下充电信息能量传输效率，设计了一种面向多供电模式的输电控制策略和能量传输频率优化算法。建立了一个LC串联电路的具体模型，并利用傅里叶变换的方法来实现将线性系统的时域稳态特征转变成频域模型，构建了频域模型对物理过程对能量传输效率的各项影响因素进行分析。仿真分析得到：发生共振时电压源将会形成频率分叉的情况但电流源模式不会受到影响，经实际测试可知处于共振与电压源模式下都会发生频率分叉，得到跟模型预测相同的结果，验证了该算法的可行性。该方法对提高多供电模式下电控制系统的传输频率起到一定的理论支撑作用。

关键词： 二维全向; 无线充电; 能量传输; 供电模式

中图分类号： TN 014

文献标志码： A

Abstract： In order to improve the efficiency of charging information and energy transmission under AC power supply， a transmission control strategy and energy transmission frequency optimization algorithm for multi-supply mode is designed. A concrete model of LC series circuit is established， and the time-domain steady-state characteristic of linear system is transformed into a frequency-domain model by means of Fourier transformation. Simulation analysis showswhen resonance occurs， the voltage source will form frequency bifurcation， but the current source mode will not be affected. The actual test shows that frequency bifurcation will occur in both resonant and voltage source modes， and the result is the same as that predicted by the model， which verifies the feasibility of this algorithm. This method plays a theoretically supporting role in improving the transmission frequency of the power control system under the multi-supply mode.

Key words： two-dimensional omnidirectional; wireless charging;energy transfer; power supply mode

0 引言

具有兩相供电结构的二维全向无线充电技术需要综合运用多种信息与物理处理方法;具体包括对电能实施输送、转换与吸收，将二个正交发送线圈与频率一致而相位差为90°的交流电源相连[1-3]，从而使含有二个发送线圈形成沿轴线分布的磁场，之后可以通过电磁感应方式接收能量;对上述物理信息进行采集并计算再根据得到的完成相应的控制，实现物理状态的改变，利用这种方式可以实现离散与连续计算的目标，将其表示为两相供电2DOWC-CPS[4-7]。

韩国技术研究院设计得到由4个正交发送线圈构成的系统，该系统可以通过两相电流源来形成旋转磁场并完成二维全向输电[8-10];同时，哈尔滨工业大学通过二个正交发送线圈并结合两相电流源的方法来形成旋转磁场，从而达到二维全向输电的目标[11-13];此外，香港大学构建了由二个正交发送线圈组成的系统，依次通过幅度调制两相与单相电流源的方式来完成二维全向输电的目标[14-15]。但以上方法基本都是从物理特征变化的层面来实现二维全向无线充电，无法充分考虑所有计算内容以及优化物理过程的能量传输方式[16-17]。

为了提高交流电源供电下充电信息能量传输效率，设计了一种面向多供电模式的输电控制策略和能量传输频率优化算法，该方法对提高多供电模式下电控制系统的传输频率控制能够发挥理论参考的功能。

1 供电2DOWC-CPS的形式

针对两相供电2DOWC-CPS构建仿真模型，设计相应的物理层结构、算法并选择合适的AD/DA模型。同时不考虑计算过程的具体通信方式影响，也不考虑DA/AD接口的具体形式[18-20]。

对于一个两相供电2DOWC-CPS结构来说，由三个共振角频率为ω0的线圈组成，各线圈呈现正交分布状态，可以看到由LC串联电路组成的模型，如图1所示。

接收线圈3以及发送线圈1/2对应的耦合系数分别是k23与k13;ω是电源角频率，Rs1、Rs2代表电源的串联内阻，Rs3为负载电阻;C1、C2、C3分别对应各线圈外接电容，同时采用R1、R2、R3表示线圈内阻;I1、I4、I3为接收线圈3与发送线圈1/2对应的有效电流参数;U1、U2为发送线圈1/2对应的电源电压，将收线圈3对应的负载电压表示成U3。

2 两相供电2DOWC-CPS优化

可以利用傅里叶变换的方法来实现将线性系统的时域稳态特征转变成频域模型;为进一步简化变换过程，本研究专门建立频域模型来分析对能量传输效率造成影响的相关因素。