0 引言

    无线电能传输技术主要应用于交通运输、植入式医疗设备、消费电子和工业等领域^[1-4]。无线电能传输系统的负载通常为电机或电池^[5-6]，因此一般希望系统输出电压保持恒定^[7]。通过调节发射回路DC/DC变换器的占空比、逆变器的工作频率等方法可以实现输出电压恒定，但是发射回路添加DC/DC变换器增加了线路的复杂性，频率调节会破坏系统的谐振状态^[8-11]。另一方面，为保证系统的高效率，研究人员提出了多种技术方案，例如利用接收回路DC/DC变换器控制系统输出电压，同时通过等步长调节发射回路DC/DC变换器输出电压搜索最小输入电流工作点来实现系统的最大效率，但是该方法调节缓慢，并且添加DC/DC变换器会降低系统效率，增加其体积和控制复杂性^[12-13]。文献[10]通过调节发射回路逆变器的移相角控制系统输出电压，同时利用接收回路半控整流器匹配最优负载来达到最大效率点，但是半控整流器开关频率与逆变器相同，损耗较大，并且控制复杂。

    本文提出一种能量注入与移相控制相结合的最大效率恒压控制方法，在负载变化时，通过调节发射回路逆变器的移相角实现系统恒压输出，同时改变逆变器的能量注入占空比来匹配负载阻抗，实现最大效率。该方法仅利用逆变器就实现了恒压输出和最大效率，无需添加额外的功率电路，控制简单，实验结果验证了方法的可行性和正确性。

1 电磁感应式无线电能传输系统

1.1 无线电能传输系统工作原理分析

    图1为无线电能传输系统电路图，它主要由全桥逆变器、发射线圈、接收线圈、补偿网络、全桥整流器和负载电阻组成，全桥逆变器由开关管Q₁~Q₄和二极管D₁~D₄构成，全桥整流器由二极管D₅~D₈和电容C_o构成，R_L为负载电阻；L₁、L₂和M分别为发射线圈、接收线圈的自感以及两线圈间的互感，r₁和r₂分别为发射线圈和接收线圈的电阻，C₁和C₂分别为发射回路和接收回路的补偿电容，E为直流电源电压，U₁和I₁分别为逆变器的输出电压和电流的基波有效值，U₂和I₂分别为全桥整流器输入电压和电流的基波有效值，U_o和I_o分别为系统输出电压和电流。由图1可以得到：

1.2 能量注入的移相恒压控制方法

1.2.1 控制方法分析

    当整流器输入等效电阻等于最优负载时，系统以最大效率运行，这里采用能量注入技术来控制整流器的输入等效电阻。能量注入波形如图2所示，其中u_inv和i₁为逆变器输出电压及电流，u_rec和i₂为整流器输入电压及电流，T为逆变器工作周期，D为能量注入占空比，T_c为能量注入控制周期。系统存在两种运行模式：模式I中，逆变器工作在移相状态，移相角为α，此时，由其向负载供能同时为电容C_o充电，输出电压持续上升，系统处于能量注入状态；模式II中，开关管Q₁~Q₄全部关断，逆变器不为负载供能，此时主要由电容C_o为负载供能，输出电压持续下降，系统处于能量耗散状态。在模式I中整流器输入等效电阻为最优负载，模式II中系统不传递电能，因此只需对模式I中的系统传输特性进行分析。

    根据图2，模式I中逆变器输出电压为：

    从式(13)中可知D最大为1，此时整流器输入等效电阻R_e为实际负载电阻R_L的8/π²倍，若系统的最优负载大于该值，则调节能量注入占空比D无法使R_e等于最优负载，因此进行参数设计时，应使最优负载小于8R_L/π²。

1.2.2 控制方法实现

    直流电压源E的输出值保持恒定，系统最大效率恒压输出控制由在线调节逆变器的能量注入占空比D和移相角α来实现。根据式(13)，可知通过上一周期的能量注入占空比D(n)和测量得到的系统输出电压U_o及电流I_o可得等效电阻R_e：

2 实验方法

    为验证本文提出的能量注入和移相恒压控制方法，按照图1所示的电路图搭建了如图3所示的无线电能传输系统。直流电源电压为25 V，输出电压设置为24 V，输出功率为5~30 W。发射线圈与接收线圈结构相同，为平面螺旋线圈，采用300股直径0.04 mm的利兹线绕制而成，共28匝，最大直径为70 mm，自感L₁和L₂为24.1 μH，线圈电阻为0.18 Ω，两线圈间距10 mm，互感M为11.45 μH。发射回路和接收回路的补偿电容C₁和C₂为41 nF，系统谐振频率为160 kHz。为减小输出电压纹波，选择电容C_o为220 μF，控制周期T_c为0.2 ms。逆变器采用两个氮化镓半桥功率器件LMG5200构成，续流二极管D₁~D₄采用型号为SR260的肖特基二极管，整流二极管D₅~D₈采用型号为SS34的肖特基二极管。发射回路控制芯片采用STM32F103微处理器，霍尔电压和电流传感器的型号分别为HVS-AS5-5mA和HNC06LTS，为简化实验，采用线性隔离光耦HCNR200代替无线通信反馈信号。

    图4所示为采用能量注入和移相恒压控制方法的无线电能传输系统的实验波形，图4(a)为输出功率20 W和5 W条件下系统的输出电压U_o和电流I_o实验波形，从图中可见，在不同负载的情况下，系统都能稳定地输出24 V的期望电压，并且在负载电阻跳变时，输出电压能够在20 ms内快速回归到期望值。图4(b)所示为模式I时全桥逆变器输出电压和电流波形，从图中可见，此时电压电流同相，系统工作在谐振状态，通过调节逆变器移相角控制输出电压。图4(c)~(d)所示为逆变器的输出电压和电流波形以及全桥整流器的输入电压和电流波形，此时负载为20 W，因此根据式(16)可知能量注入占空比为50%。

    系统实际运行时，负载会发生变化，此时系统为了满足最大效率和恒压输出，逆变器的能量注入占空比D和移相角α会发生相应变化。图5所示为不同负载下，系统控制参数的理论值与实验值的对比图。从图中可见，能量注入占空比与输出功率成正比，当负载变化时，系统调节D，使整流器输入等效电阻保持为最优负载。由式(7)及式(15)可见，由于最优负载、互感M以及线圈电阻等参数是固定的，因此α的理论值为恒定值，实验值与理论值基本符合。

    在上述系统结构和实验参数都不变的条件下，仅用移相恒压控制，使系统输出电压保持为24 V。通过实验可以比较能量注入和移相恒压控制与移相恒压控制下无线电能传输系统的效率。图6给出了两种控制方法的无线电能传输系统在不同负载下的整机效率图。从图中可以看出，采用移相控制时的整机效率明显低于采用能量注入和移相恒压控制时的整机效率，在5 W~30 W负载范围内，整机效率提高了3%~10%，满载时整机效率能达到89%。在能量注入和移相恒压控制的轻载区域，逆变器移相造成的损耗比重增大，因此整机效率随负载的减小而减小。

3 结论

    本文提出了一种无线电能传输的最大效率恒压控制技术，该技术通过在线控制发射回路逆变器的能量注入占空比和移相角，使系统在负载变化时能保持最大效率和恒定的输出电压，并且无需添加额外的功率电路。在理论分析的基础上，设计了磁感应无线电能传输实验系统，实验结果证明了所提方法的可行性和正确性。所提出的控制方法存在一个负载可控范围，超出范围就会失去负载匹配的作用，进一步的研究将关注在更大的负载范围内实现最大效率。

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作者信息:

沈鹏飞，谢  岳

(中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州310018)