DQZHAN訊：變負(fù)載無線充電系統(tǒng)的恒流充電技術(shù)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院的研究人員宋凱、李振杰、杜志江、朱春波，基于磁耦合共振原理，設(shè)計(jì)了一套采用平板磁心結(jié)構(gòu)的變負(fù)載恒流充電無線電能傳輸系統(tǒng)。
利用等效電路模型分析影響傳輸功率、系統(tǒng)效率和充電電流的主要因素。根據(jù)超級電容恒流充電過程中等效負(fù)載電阻動態(tài)變化規(guī)律，采用不同阻值的功率電阻模擬其充電特性。
首先，分析二次側(cè)Buck變換器對充電電流的調(diào)節(jié)作用，得到占空比與充電電流的關(guān)系，采用PI控制算法實(shí)現(xiàn)變負(fù)載的恒流充電;其次，通過理論分析和仿真實(shí)現(xiàn)磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì);*后，搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。在傳輸距離為15cm且負(fù)載電阻為0.5-5?時，實(shí)現(xiàn)29A的恒流充電。當(dāng)負(fù)載電阻為3.2?時，系統(tǒng)效率和傳輸功率分別為87.7%和2.58kW。
2007年，美國麻省理工學(xué)院M. Soljacic教授團(tuán)隊(duì)提出磁耦合共振技術(shù)，這是一種以電磁場為媒介，通過磁耦合諧振作用實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)效率高且傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于電動車、人體植入式設(shè)備及便攜式設(shè)備等[1,2]。
就上述設(shè)備而言，大都以鋰電池組和超級電容為動力源，其等效負(fù)載電阻在充電過程中動態(tài)變化[3];同時，為縮短充電時間，需要采用大電流進(jìn)行恒流充電。本文在分析超級電容充電過程中等效負(fù)載電阻動態(tài)變化的基礎(chǔ)上，采用不同阻值的功率電阻對其恒流充電特性進(jìn)行模擬。
無線充電系統(tǒng)的研究主要集中在補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、磁耦合機(jī)構(gòu)、功率變換器及控制策略等方面。通常而言，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)用于提高系統(tǒng)效率和減小無功功率，包括串聯(lián)-串聯(lián)(串串)、串聯(lián)-并聯(lián)(串并)、并聯(lián)-并聯(lián)(并并)和并聯(lián)-串聯(lián)(并串)四種基本類型。
其中，采用串串補(bǔ)償時，負(fù)載阻值和一、二次側(cè)之間耦合系數(shù)變化不會影響系統(tǒng)諧振，適用于負(fù)載動態(tài)變化的系統(tǒng)[4]。磁耦合機(jī)構(gòu)直接影響傳輸功率、系統(tǒng)效率和電磁兼容性等。文獻(xiàn)[5]提出使用磁心材料優(yōu)化設(shè)計(jì)磁耦合機(jī)構(gòu)能夠有效提高耦合系數(shù)、偏移容忍能力和磁屏蔽效果。
文獻(xiàn)[6]提出采用串串和并串或串并和并并混合結(jié)構(gòu)及切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)定頻方式為電池組進(jìn)行恒壓/恒流無線充電。文獻(xiàn)[7]提出通過合理地設(shè)計(jì)工作頻率實(shí)現(xiàn)串串或串并結(jié)構(gòu)的變負(fù)載恒流充電，但由于分析過程中忽略了線圈內(nèi)阻和負(fù)載范圍對系統(tǒng)的影響，提出的方法僅能實(shí)現(xiàn)在一定負(fù)載范圍內(nèi)近似的恒流/恒壓充電。因此，為實(shí)現(xiàn)**、穩(wěn)定且符合實(shí)際應(yīng)用需求的恒流無線充電，控制策略是必要的。
通常而言，無線充電系統(tǒng)的控制策略主要分為一次側(cè)控制和二次側(cè)控制[8,9]。其中，一次側(cè)控制需要采用無線通信方式將負(fù)載的充電電流/電壓信息實(shí)時反饋到一次側(cè)，實(shí)現(xiàn)充電電流/電壓的恒定控制。二次側(cè)控制不需要無線通信，通過增加二次側(cè)DC-DC變換器調(diào)節(jié)充電電流/電壓，這種方法能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。
本文提出基于二次側(cè)Buck變換器的變負(fù)載系統(tǒng)恒流充電控制方法。通過理論和仿真分析影響傳輸功率、系統(tǒng)效率和充電電流的主要因素，并優(yōu)化設(shè)計(jì)磁耦合機(jī)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變負(fù)載時恒流無線充電要求。
本文設(shè)計(jì)了一套基于平板磁心結(jié)構(gòu)的變負(fù)載恒流無線充電系統(tǒng)。通過電路模型分析傳輸功率、系統(tǒng)效率和充電電流與互感值、Buck變換器占空比和負(fù)載電阻關(guān)系。由理論與仿真分析超級電容的等效負(fù)載電阻動態(tài)變化且阻值較小特點(diǎn)，采用不同阻值的功率電阻對其充電特性進(jìn)行模擬和分析。
在優(yōu)化設(shè)計(jì)磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用二次側(cè)PI控制算法調(diào)節(jié)Buck變換器占空比，實(shí)現(xiàn)變負(fù)載系統(tǒng)的充電電流恒定。*后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證理論分析與仿真結(jié)果的正確性。
