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磁耦合谐振式无线电能传输的关键控制技术
来源: | 作者:admin | 发布时间: 2021-01-11 | 8 次浏览 | 分享到:

无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题,磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT)技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。

MCRWPT系统是一个多参数耦合的复杂电磁系统,各参数的变化都会导致系统失谐,进而影响系统的传输效率和传输功率,因此对MCRWPT系统的关键控制技术研究是保证系统能够以最优传输效率传递较高功率的前提。

下面将从频率跟踪控制技术、自动调谐技术、恒功率输出技术对MCRWPT系统能量高效传输、系统优化设计和智能控制进行分析概述。

自动调谐技术

高品质因数谐振系统是提高MCRWPT系统传输效率和传输功率的关键,但是高品质因数谐振电路易受系统参数变化造成系统失谐。自动调谐技术能够根据系统参数变化引起的失谐进行参数重新匹配,以达到自动调谐使系统始终工作在谐振状态,保证系统的高效、大功率电能传输。

有学者提出一种基于相控电容的谐振电路调谐方法,通过设计相控电容调谐电路,计算电容相位与等效电容之间的对应关系,等效形成可以连续变化的可变电容进行调谐。有学者设计了一种相控电感电路,通过触发延迟角的调节可以实现动态实时调谐控制。有学者提出一种利用小型步进电机分别控制安装在发射端和接收端的可调电感进行调谐控制的方法。通过设计调谐电路和优化算法进行谐振参数匹配,并搭建实验平台验证设计的可行性。有学者采用电容阵列动态调节电路对初级谐振电容进行动态调节,确保系统参数变化时仍能工作在谐振状态。有学者提出一种基于谐波的移相闭环控制策略,设计了一种采用电流平均值进行谐波电流检测的方法,利用输出电压中的谐波含量参与谐振,提高了系统的传输效率。有学者提出一种相控电感的无极调谐方法,该方法可实时改变谐振电感的等效值,使谐振网络的谐振频率等于系统的工作频率,保证系统始终工作在谐振状态。自动调谐技术的关键在于系统参数发生变化时能够通过自动调整相关参数保证系统始终工作在谐振状态下。通过改变电感和电容大小的方法使系统达到谐振状态是调谐的重要手段,但是电感、电容的调节是一个被动的过程,通过增加一些控制手段实现主动控制才能保证调谐的连续性。

自动调谐技术能够有效地提升MCRWPT系统的传输效率和最大传输功率。自动调谐技术是促进MCRWPT技术推广应用的关键技术,针对不同的应用场景使用相应的调谐技术能够促进MCRWPT系统在不同领域和各种场景下高效稳定的运行。

频率跟踪控制技术

MCRWPT系统依靠高频工作实现电能无线传输,一般工作频率在kHz~MHz范围内,系统的传输效率和传输功率对工作频率的变化非常敏感。因此,通过频率跟踪和控制技术能够实时监测系统的工作频率变化,从而保证系统发射端输出频率,接收端接收频率和谐振频率始终保持一致,从而有效地提高系统的工作效率和传输功率,频率跟踪技术其实也是实现自动调谐的一个手段。

MCRWPT系统在不同耦合条件下会出现频率分裂现象,导致系统传输功率和传输效率的下降。系统在谐振状态下电压和电流处于同相位,通过对发射端或接收端电流频率采样、检测实现系统频率跟踪。

对发射端电流频率跟踪可以直接检测发射端电流信号相位并将其与电压信号相位对比,若相位差为零则表示发射端工作在谐振状态;若相位差不为零则将反映相位差的脉冲信号反馈至驱动电路使其控制逆变器调节输出电源频率直至发射端电压电流同相,控制过程结束,系统重新恢复谐振状态。

由于接收端电流信号与发射端电压信号存在90°相位差,在跟踪接收端电流频率信号时需要首先将接收端电流移相才能进行频率跟踪。

因此,为了系统电路设计更加简单,大多数研究者都选择直接跟踪发射端电流频率,但是接收端电流频率的改变不受频率分裂现象影响,跟踪接收端电流频率信号是可以保证系统跟踪的频率始终为固有谐振频率而不受频率分裂现象的干扰,从而有效地保证频率跟踪控制系统始终在最大传输功率和最优传输效率的工作状态。

有学者提出一种频率跟踪控制方法可以使发射电源频率自动同步谐振电路固有频率,以此避免发射线圈电感变化引起的失谐导致系统传输效率下降。有学者提出了一种基于闭环控制的自适应频率跟踪控制方法,提出了一种改进的蚁群算法(Improved Ant Colony Algorithm, IACA)来实时跟踪最大功率点,并对最优频率进行了跟踪。有学者通过无线通信的方式直接将传输功率和传输效率信号应用于频率跟踪算法,同时还考虑功率链路和功率放大器效率,从而为跟踪算法建立合理的准则,建立的自动频率跟踪系统在0~0.5m范围内成功传出70W左右的电功率,并将传输效率保持在70%以上。频率跟踪控制技术能够解决MCRWPT系统工作过程中环境变化和外部干扰导致系统参数变化引起的失谐问题,通过频率跟踪控制技术可以保证系统工作频率始终与系统固有谐振频率相匹配,使系统始终工作在最大功率和最优效率状态下。

恒功率输出技术

在WPT应用场景中大多要求负载功率稳定,然而MCRWPT由于工作环境和负载变化都会引起输出功率动态变化。恒功率输出技术能够保证MCRWPT系统工作状态变化时保证恒功率输出,增强系统供电稳定性和安全性。

目前常用的输出控制策略是通过不同的控制方法实现恒压、恒流输出的目标。

有学者通过分析系统恒流、恒压工作的边界条件,在不增加控制器的情况下,通过恒频驱动保证系统工作在恒压、恒流状态。减少控制电路的设计能够降低系统的复杂性,保证系统的传输效率,但是为达到恒压输出的效果需要设计相应的边界条件,对负载的取值范围也有要求,限制了MCRWPT应用范围。有学者提出采用移相直通控制策略调节系统功率输出,通过建立系统等效数学模型与移相角的函数关系,验证了通过控制逆变环节开关管的直通角可以控制一次电流幅值从而达到控制输出功率的效果。有学者提出一种基于双拾取耦合机构的恒功率输出动态无线电能传输系统,通过采用相互重叠的双拾取线圈,在两线圈之间引入互感,并推导出每个拾取线圈输出功率随等效负载电阻的变化规律,通过控制每个拾取线圈的实际等效负载电阻,实现系统输出功率的恒定。有学者提出一种优化方法,可以建立输入电流与传输效率、电压传递函数和导通角之间的关系,从而达到更好的传递效率和输出电压的可控性。文献[58]提出了一种在调节输出电压的同时使系统效率最大化的跟踪最大效率点控制方案,该方案将工作频率固定在接收端谐振频率,可以动态跟踪恒压输出轨迹上的最大效率点。有学者提出了一种用于无线功率传输的新型半桥式有源整流(Semi- Bridge Active Rectifier, S-BAR)相移控制方法,该控制策略可以在一次、二次侧没有通信的情况下通过对一次侧开关管相移调谐来调节系统的输出电压。实现恒功率输出的主要途径是控制一次电流、电压的相位和幅值,建立负载侧电阻与一次侧输入功率的函数关系是确定恒功率输出策略的关键。因此,以相互函数关系为依托,确立相应的控制策略是实现MCRWPT系统恒功率输出的关键技术手段。

本文编自2020年第20期《电工技术学报》,论文标题为“磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态”,作者为贾金亮、闫晓强。