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  • 頭條磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)年P鍵控制技術
    2021-03-21 作者:賈金亮 閆曉強  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語MCRWPT系統(tǒng)是一個多參數(shù)耦合的復雜電磁系統(tǒng),各參數(shù)的變化都會導致系統(tǒng)失諧,進而影響系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率,因此對MCRWPT系統(tǒng)的關鍵控制技術研究是保證系統(tǒng)能夠以最優(yōu)傳輸效率傳遞較高功率的前提。

    無線電能傳輸技術因其獨特的傳輸優(yōu)勢成為當下國內外研究的熱點課題,磁耦合諧振式無線電能傳輸(Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT)技術以其在近場區(qū)傳輸?shù)淖陨韮?yōu)勢成為當前最為熱門的無線電能傳輸方式之一。

    MCRWPT系統(tǒng)是一個多參數(shù)耦合的復雜電磁系統(tǒng),各參數(shù)的變化都會導致系統(tǒng)失諧,進而影響系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率,因此對MCRWPT系統(tǒng)的關鍵控制技術研究是保證系統(tǒng)能夠以最優(yōu)傳輸效率傳遞較高功率的前提。

    磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)年P鍵控制技術

     

    下面將從頻率跟蹤控制技術、自動調諧技術、恒功率輸出技術對MCRWPT系統(tǒng)能量高效傳輸、系統(tǒng)優(yōu)化設計和智能控制進行分析概述。

    自動調諧技術

    高品質因數(shù)諧振系統(tǒng)是提高MCRWPT系統(tǒng)傳輸效率和傳輸功率的關鍵,但是高品質因數(shù)諧振電路易受系統(tǒng)參數(shù)變化造成系統(tǒng)失諧。自動調諧技術能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化引起的失諧進行參數(shù)重新匹配,以達到自動調諧使系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài),保證系統(tǒng)的高效、大功率電能傳輸。

    • 有學者提出一種基于相控電容的諧振電路調諧方法,通過設計相控電容調諧電路,計算電容相位與等效電容之間的對應關系,等效形成可以連續(xù)變化的可變電容進行調諧。
    • 有學者設計了一種相控電感電路,通過觸發(fā)延遲角的調節(jié)可以實現(xiàn)動態(tài)實時調諧控制。
    • 有學者提出一種利用小型步進電機分別控制安裝在發(fā)射端和接收端的可調電感進行調諧控制的方法。通過設計調諧電路和優(yōu)化算法進行諧振參數(shù)匹配,并搭建實驗平臺驗證設計的可行性。
    • 有學者采用電容陣列動態(tài)調節(jié)電路對初級諧振電容進行動態(tài)調節(jié),確保系統(tǒng)參數(shù)變化時仍能工作在諧振狀態(tài)。
    • 有學者提出一種基于諧波的移相閉環(huán)控制策略,設計了一種采用電流平均值進行諧波電流檢測的方法,利用輸出電壓中的諧波含量參與諧振,提高了系統(tǒng)的傳輸效率。
    • 有學者提出一種相控電感的無極調諧方法,該方法可實時改變諧振電感的等效值,使諧振網(wǎng)絡的諧振頻率等于系統(tǒng)的工作頻率,保證系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)。

    自動調諧技術的關鍵在于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時能夠通過自動調整相關參數(shù)保證系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)下。通過改變電感和電容大小的方法使系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)是調諧的重要手段,但是電感、電容的調節(jié)是一個被動的過程,通過增加一些控制手段實現(xiàn)主動控制才能保證調諧的連續(xù)性。

    自動調諧技術能夠有效地提升MCRWPT系統(tǒng)的傳輸效率和最大傳輸功率。自動調諧技術是促進MCRWPT技術推廣應用的關鍵技術,針對不同的應用場景使用相應的調諧技術能夠促進MCRWPT系統(tǒng)在不同領域和各種場景下高效穩(wěn)定的運行。

    頻率跟蹤控制技術

    MCRWPT系統(tǒng)依靠高頻工作實現(xiàn)電能無線傳輸,一般工作頻率在kHz~MHz范圍內,系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率對工作頻率的變化非常敏感。因此,通過頻率跟蹤和控制技術能夠實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作頻率變化,從而保證系統(tǒng)發(fā)射端輸出頻率,接收端接收頻率和諧振頻率始終保持一致,從而有效地提高系統(tǒng)的工作效率和傳輸功率,頻率跟蹤技術其實也是實現(xiàn)自動調諧的一個手段。

    MCRWPT系統(tǒng)在不同耦合條件下會出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象,導致系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的下降。系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下電壓和電流處于同相位,通過對發(fā)射端或接收端電流頻率采樣、檢測實現(xiàn)系統(tǒng)頻率跟蹤。

    對發(fā)射端電流頻率跟蹤可以直接檢測發(fā)射端電流信號相位并將其與電壓信號相位對比,若相位差為零則表示發(fā)射端工作在諧振狀態(tài);若相位差不為零則將反映相位差的脈沖信號反饋至驅動電路使其控制逆變器調節(jié)輸出電源頻率直至發(fā)射端電壓電流同相,控制過程結束,系統(tǒng)重新恢復諧振狀態(tài)。

    由于接收端電流信號與發(fā)射端電壓信號存在90°相位差,在跟蹤接收端電流頻率信號時需要首先將接收端電流移相才能進行頻率跟蹤。

    因此,為了系統(tǒng)電路設計更加簡單,大多數(shù)研究者都選擇直接跟蹤發(fā)射端電流頻率,但是接收端電流頻率的改變不受頻率分裂現(xiàn)象影響,跟蹤接收端電流頻率信號是可以保證系統(tǒng)跟蹤的頻率始終為固有諧振頻率而不受頻率分裂現(xiàn)象的干擾,從而有效地保證頻率跟蹤控制系統(tǒng)始終在最大傳輸功率和最優(yōu)傳輸效率的工作狀態(tài)。

    • 有學者提出一種頻率跟蹤控制方法可以使發(fā)射電源頻率自動同步諧振電路固有頻率,以此避免發(fā)射線圈電感變化引起的失諧導致系統(tǒng)傳輸效率下降。
    • 有學者提出了一種基于閉環(huán)控制的自適應頻率跟蹤控制方法,提出了一種改進的蟻群算法(Improved Ant Colony Algorithm, IACA)來實時跟蹤最大功率點,并對最優(yōu)頻率進行了跟蹤。
    • 有學者通過無線通信的方式直接將傳輸功率和傳輸效率信號應用于頻率跟蹤算法,同時還考慮功率鏈路和功率放大器效率,從而為跟蹤算法建立合理的準則,建立的自動頻率跟蹤系統(tǒng)在0~0.5m范圍內成功傳出70W左右的電功率,并將傳輸效率保持在70%以上。

    頻率跟蹤控制技術能夠解決MCRWPT系統(tǒng)工作過程中環(huán)境變化和外部干擾導致系統(tǒng)參數(shù)變化引起的失諧問題,通過頻率跟蹤控制技術可以保證系統(tǒng)工作頻率始終與系統(tǒng)固有諧振頻率相匹配,使系統(tǒng)始終工作在最大功率和最優(yōu)效率狀態(tài)下。

    恒功率輸出技術

    在WPT應用場景中大多要求負載功率穩(wěn)定,然而MCRWPT由于工作環(huán)境和負載變化都會引起輸出功率動態(tài)變化。恒功率輸出技術能夠保證MCRWPT系統(tǒng)工作狀態(tài)變化時保證恒功率輸出,增強系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和安全性。

    目前常用的輸出控制策略是通過不同的控制方法實現(xiàn)恒壓、恒流輸出的目標。

    • 有學者通過分析系統(tǒng)恒流、恒壓工作的邊界條件,在不增加控制器的情況下,通過恒頻驅動保證系統(tǒng)工作在恒壓、恒流狀態(tài)。減少控制電路的設計能夠降低系統(tǒng)的復雜性,保證系統(tǒng)的傳輸效率,但是為達到恒壓輸出的效果需要設計相應的邊界條件,對負載的取值范圍也有要求,限制了MCRWPT應用范圍。
    • 有學者提出采用移相直通控制策略調節(jié)系統(tǒng)功率輸出,通過建立系統(tǒng)等效數(shù)學模型與移相角的函數(shù)關系,驗證了通過控制逆變環(huán)節(jié)開關管的直通角可以控制一次電流幅值從而達到控制輸出功率的效果。
    • 有學者提出一種基于雙拾取耦合機構的恒功率輸出動態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng),通過采用相互重疊的雙拾取線圈,在兩線圈之間引入互感,并推導出每個拾取線圈輸出功率隨等效負載電阻的變化規(guī)律,通過控制每個拾取線圈的實際等效負載電阻,實現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的恒定。
    • 有學者提出一種優(yōu)化方法,可以建立輸入電流與傳輸效率、電壓傳遞函數(shù)和導通角之間的關系,從而達到更好的傳遞效率和輸出電壓的可控性。文獻[58]提出了一種在調節(jié)輸出電壓的同時使系統(tǒng)效率最大化的跟蹤最大效率點控制方案,該方案將工作頻率固定在接收端諧振頻率,可以動態(tài)跟蹤恒壓輸出軌跡上的最大效率點。
    • 有學者提出了一種用于無線功率傳輸?shù)男滦桶霕蚴接性凑鳎⊿emi- Bridge Active Rectifier, S-BAR)相移控制方法,該控制策略可以在一次、二次側沒有通信的情況下通過對一次側開關管相移調諧來調節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓。

    實現(xiàn)恒功率輸出的主要途徑是控制一次電流、電壓的相位和幅值,建立負載側電阻與一次側輸入功率的函數(shù)關系是確定恒功率輸出策略的關鍵。因此,以相互函數(shù)關系為依托,確立相應的控制策略是實現(xiàn)MCRWPT系統(tǒng)恒功率輸出的關鍵技術手段。

    本文編自2020年第20期《電工技術學報》,論文標題為“磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動態(tài)”,作者為賈金亮、閆曉強。