动态无线电能传输恒功率控制研究

聂彬彬

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

随着技术的进步，越来越多电子用品在日常生活中占据着重要地位，例如：手机、平板电脑、笔记本电脑等等。此类设备的普及也伴随着携带、充电及安全等相关问题，已越来越引起人们的关注与讨论。其中较为明显可见的是：传统的输电方式难以满足人们的需求。切断电子设备“最后一根线”——电力线，已成为一项重要的研究项目，众多国家和科研组织已开始将研究方向转向无线电能传输领域。我国的无线电能传输技术虽然起步较晚，但是进展较快[1]。

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）是一种基于电磁学和无线电波理论的新兴技术，作为电气和无线电学科的综合应用，其依靠电磁效应与能量交换作用，实现了电能在电源和负载之间的无接触式的能量传输。由于无线电能传输技术使得电源和负载不再直接相连，而是处于一种电气隔离状态，所以其具备安全、灵活、可靠等突出特点。同时，传输过程可实现由小功率至大功率，由近距离至远距离等不同需求、不同场合的能量传输[2]。该项技术在近期未来必然是一个重要的发展方向。

2 磁耦合谐振式无线电能传输

2.1 传输方式及特点分析

目前，最为常见的无线电能传输方式主要分为三类：磁感应式无线电能传输（Magnetic Induction Wireless Power Transfer,MI-WPT）、微波式无线电能传输（Microwave Wireless Power Transfer,MWPT）、磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）。不同类型的传输方式可适用于不同场合、不同性能所需的能量供应要求[3]。

相较于其他传输方式，磁耦合谐振式无线电能传输可以在几厘米到几米的传输范围内无线供电，同时在传输过程中，不会受到中间障碍物的影响，传输功率等级为几十瓦或者数百瓦，在中等距离传输中有着非常广阔的应用前景。磁耦合谐振无线充电技术仍然存在一定的不足，比如：磁耦合谐振系统频率缺乏统一的行业标准、传输功率相对较小等等，有待未来的技术发展加以解决。

磁耦合谐振无线电能传输的工作原理如图1所示。基于耦合模型理论，发射线圈与接收线圈在相同频率下的多次谐振作用会使得线圈周围空间聚集大量的能量，同时，接收线圈在所形成的非辐射磁场中能够接收能量，通过此过程将磁场能转化为电能，实现电能传输[4]。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输原理

2.2 系统基本构成

磁耦合谐振式无线电能传输系统基本结构框图如图2 所示。其主要由如下三个部分组成[5]：初级侧能量转换单元（发射端）、能量传输单元（谐振单元）、次级侧能量接受单元（接收端）。

图2 MCR-WPT 系统结构框图

传输系统由电网进行供电。首先经过初级侧的整流滤波环节，将交流电转换成直流电；利用直流斩波环节，对输入电路中的电压大小进行处理；随后，经高频逆变电路将电流转换成谐振频率下的交流电，从而在发射线圈周围产生交变的磁场；在耦合谐振部分，由谐振作用产生出的电压，经接收线圈，进入整流滤波环节，最终得到可以供给负载使用的电能，实现完整的电能传输过程[6]。在这过程中，可利用直流斩波电路对系统传输功率的大小进行调整。这一完整的过程可以概括为：电能在原边由电生磁，经过谐振电路到达副边，再由磁生电，完成电能的无线传输[7]。

2.3 等效电路模型分析

磁耦合谐振式无线电能传输系统的等效电路模型分为以下四类组合结构：串串型（SS）结构、串并型（SP）结构、并串型（PS）结构、并并型（PP）结构，其等效模型如图3 所示[8]。

图3 两线圈电路拓扑结构等效模型

将四种结构进行对比，按照其性能展开分析。若以达到在谐振状态时系统的最小无功功率为目标，SP 型、PS 型和PP 型电路拓扑结构选择发射端回路补偿电容时，既要考虑线圈的耦合系数，又要考虑接收端实际负载电阻等多种电路参数的影响；SS 型MCR-WPT 系统，其发射端谐振电路补偿电容仅受系统发射端回路参数影响，而与耦合系数和接收端实际负载电阻大小无关，可以保证在耦合系数和接收端负载变化时，电能在无线电能传输过程仍然保证最小的无功分量[9]。

3 恒功率控制系统设计

恒功率控制系统的主要模块包括：直流电源、高频逆变电路、发射和接收耦合电路、整流电路、功率控制反馈部分。为初步确立一套完整可靠的基础设计方案，在此主要从发射端逆变电路、接收端电路及功率检测平衡电路入手，讨论设计需要考虑的重点问题。

3.1 发射端逆变电路设计

MCR-WPT 系统中，流入谐振线圈的高频交流信号是由逆变电路产生的。直流电源经逆变电路转换，成为谐振频率下的交流信号。在初级侧谐振网络中，交变电场会产生磁场[10]。考虑到此类机理的特点，在设计中，逆变电路采用全桥式逆变电路的形式，其电路设计图如图4 所示。

图4 发射端逆变电路设计图

该系统工作频率较高，而IGBT 的工作频率上限低于MOSFET，因而选择N 沟道的硅基MOSFET。MOS 管的内部电容、栅极电荷、导通损耗及开关损耗均较低，能够胜任更快、更高效的开关操作，使MCR-WPT 系统达到高效率传输的要求。

3.2 接收端电路设计

接收端整流电路采用单相桥式整流电路的形式。设计采用电容滤波方法构造单相桥式不可控整流电路，电路原理如图5。可见，四个二极管两两交替导通，流经每个二极管的平均电流变为回路电流的一半；在二极管两端各并联一个电阻后，二极管的等效阻值降低，其两端电压虽然没有发生变化，但由于并联电阻分流作用的存在，流经二极管的电流减小了，由此起到保护二极管的作用。

图5 接收端整流滤波电路

3.3 功率检测平衡电路设计

对功率检测平衡电路的设计采用功率闭环控制方案。将功率值设定为100W。在运行过程中，由于电阻突变效应的存在，电阻器件的实际值将迅速偏离设定值。在电阻发生突变的场合下，为了使系统功率继续保持恒定，可在此将设定值减去实际值得到功率的误差值，然后令此电压误差值经过电压环PI计算，得出开关周期，计算出开关频率，经过压控振荡器VCO 后得到对应的正弦波，将得到的波形与初始值比较后变换为相同频率的PWM 波，对开关管进行驱动，最终实现闭环控制。这整个过程是一个功率检测反馈的过程，其设计方案如图6 所示。

图6 功率检测反馈系统设计方案

4 结 束 语

无线电能传输是一门颇具潜力的新技术，磁耦合谐振式无线电能传输方式是其中较为有代表性的一种，以此为重点，简要介绍整体技术构成和传输模型，并从发射端逆变电路设计、接收端电路设计、功率检测平衡电路设计等多个方面对恒功率控制系统设计做了重点研究。除了输出功率以外，传输效率也是无线电能传输的一项重要指标，在实际研究中，应综合考虑整个系统的传输功率和效率，以实现系统最优控制。