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基于谐振网络控制策略的无线电能传输系统

2025-01-14 86 上传者：管理员

摘要：为了提高无线电能传输系统的工作距离范围和效率，提出一种基于谐振网络控制策略的无线电能传输系统方案。该方案采用谐振电容控制电路和谐振电感控制电路来实现系统谐振频率的自适应匹配，进一步，通过对线圈的结构进行重构，优化线圈结构设计，调节不同距离下的互感和耦合系数，提高工作距离范围及功率传输性能。为了验证系统方案的可行性，首先通过磁场仿真和电路仿真进行验证，然后搭建无线电能传输样机进行性能测试。测试结果表明，相比于通用的无线电能传输系统，所提方案工作距离范围增加了50%，全距离范围内效率显著提升。

关键词：
传输效率
无线电能传输
谐振电容控制
谐振电感控制
谐振网络
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相比于传统的有线充电方式，无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术通过电磁场实现非接触电能传输，具有无需插拔、无接触和适应能力强等优点[1‐3]，近年来已广泛应用于自动导引小车、电动汽车医疗设备、无人机等工程领域[4‐7]。

WPT谐振补偿网络主要由电容和电感构成，根据不同的串联或并联方式组成不同的补偿拓扑形式，分别为串联‐串联、串联‐并联、并联‐串联、并联‐并联，在此基础上学者们还提出了LCC、LCL等高阶谐振拓扑结构[8‐10]。当前，学者们对于如何提升WPT系统充电距离和效率做了大量研究，其中系统谐振拓扑的设计和线圈的设计是最常用的方法。文献[11]中提出了一种混合自切换谐振拓扑WPT系统，采用LCL谐振拓扑网络，根据工作时恒流恒压状态切换接收电路谐振拓扑，但系统切换拓扑时处于满功率运行状态，任意参数的偏移都可能造成瞬间高电压冲击。文献[12]提出了一种基于双边LCC谐振拓扑状态下的三相移控制策略，实现整个功率范围内的零电压开关，并提出了双边相移控制来调节功率流，从而实现负载匹配，但其控制复杂且检测结果易受系统参数影响。文献[13]提出了一种串联LCLCC三线圈WPT拓扑结构，对接收电路进行了拓扑改进，并采用三线圈结构，显著提高了电池等效负载电阻值较大时的系统效率，但系统存在多阶零极点，导致控制复杂度较高。文献[14]指出学者们采用三线圈或四线圈WPT系统来提升WPT系统的传输效率和传输距离，但对比分析及测试表明，三线圈和两线圈各有优劣，另外三线圈WPT系统实现成本较高且占用空间大。文献[15]提出了一种采用步进电机控制发射线圈和接收线圈感量的方式，但步进电机的控制比较复杂且精度要求高，特别是工作在谐振点附近时，感量的微小变动会导致接收功率的大幅变化，对系统稳定性影响较大。

针对以上问题，为提高系统工作距离范围及系统效率，本文提出了一种基于谐振网络控制策略的WPT方案，设计了自适应谐振网络控制策略的系统和一种发射端可拆分线圈结构，以优化不同充电距离下的电能传输性能。

1、系统拓扑与原理分析

1.1 等效模型框图

基于谐振网络控制策略的WPT系统等效模型如图1所示。相比于典型WPT系统的LC拓扑，基于谐振网络控制策略的WPT系统采用了CLC拓扑结构，提出了自适应谐振控制网络，包括可控制的谐振电容电路及可控制的线圈电路；另外，对线圈的结构进行了重构，提出了一种发射端可拆分线圈结构。WPT系统包括直流电源输入部分Us和C1、全桥逆变器Q1～Q4、发射端谐振电容Cp1～Cp3、用于控制谐振电路的开关器件S1及S2、发射线圈Lp1及Lp2、接收线圈Ls1、接收端谐振电容Cs1、全桥整流器VD1～VD4、储能电容C2、负载RL。对LC串联拓扑而言，其线圈两端电压分别为高频方波和高频高压正弦波，存在明显的电场不平衡现象，尤其当线圈电流较大时，问题更加凸显。相较于LC串联拓扑，本文采用的CLC拓扑可以有效地避免线圈两端电场不平衡所带来的干扰问题。

图1 基于谐振网络控制策略的WPT系统等效模型

1.2 工作原理

在WPT系统中，接收端线圈上下移动会使发射端线圈互感及系统阻抗产生剧烈耦合变化，距离越近，互感变化越大，从而导致发射端及接收端失谐并使线圈电流急剧降低，进而导致传输功率和效率降低。如图1所示，S1用于谐振电容Cp2和Cp3的切换，S2用于谐振电感Lp1和Lp1+Lp2的切换，控制单元根据接收端的状态控制开关器件S1和S2来调整谐振参数，并通过线圈的优化以达到扩展工作距离和提高系统效率的目的。

为了便于分析系统线圈的传输特性，基于文献[16]对WPT系统进行了简化，其等效电路模型如图2所示。在等效电路模型中：UAC为全桥逆变器输出的高频交流电压；Lp和Ls分别为发射线圈和接收线圈的自感；Rp和Rs分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻；Ip和Is分别为发射电路和接收电路的电流；Cp1和Cp2为发射电路的补偿电容；Cs为接收电路的补偿电容；M为发射与接收线圈之间的互感；RL为接收电路的负载。

图2 WPT系统等效电路模型

当电路处于完全谐振状态时，电容的容抗与电感的感抗完全抵消，电路将呈现纯阻性。为提高WPT系统的传输效率，发射电路和接收电路尽可能设置为一样的谐振频率，两者可同时到达完全谐振状态。其谐振频率计算公式[17]如下：

式中：fp和fs分别为发射电路和接收电路谐振频率；Cp为发射电路等效谐振电容值。

根据基尔霍夫电压定律，对图2所示等效电路模型进行分析，可列回路方程为：

式中：ω为电路工作角频率；j为虚数单位。

当发射电路和接收电路处于完全谐振状态时，有等式成立[18]。将其代入式（2）可得到发射电路电流Ip和接收电路电流Is的表达式，如下：

进一步，发射电路阻抗Zp和接收电路阻抗Zs可推导为：

根据式（3）、式（4）分析可知，，随着M的增加，发射电路电流Ip以平方倍的比例减小。互感M的计算相对复杂[19]，可近似为：

式中：μ0为空间磁导率；d为发射线圈与接收线圈距离；N为线圈匝数；r为线圈半径。由式（5）可以看出，WPT系统的互感值与工作距离的3次方成反比。随着发射线圈和接收线圈距离变近，互感M会急剧增加，在发射电路输入电压UAC和工作频率固定情况下，发射电路电流Ip会以M的平方倍减小，导致线圈电压达不到预设值，从而无法传输足够的能量到接收电路。文献[20]指出，较高的系统电压UAC可以提高系统的输出功率，通过式（3）可知，其原理是提高发射线圈电流，以此来增强系统磁感应强度，但提高输入电压的成本会大幅增加，且安全性要求更高，故WPT系统一般采用定电压输入。为解决此问题，本文通过ANSYSMaxwell线圈仿真及PSIM电路仿真，基于固定输入电压和给定工作频率优化谐振电路和线圈设计，改善不同距离下的线圈互感M及系统谐振参数，以达到最优的传输距离范围和更高的传输效率。

2、系统设计与仿真

2.1 线圈设计与仿真

为验证系统方案的理论可行性，设计其最优的参数，并得到发射线圈和接收线圈耦合结构在不同距离范围的自感、互感及耦合系数，在ANSYS Maxwell仿真环境中搭建了发射线圈和接收线圈的有限元模型。为说明本文所设计方案的优越性，以80mm圆形线圈为对象，对比典型发射线圈和改进后发射线圈性能。接收线圈采用Qi标准线圈，铁氧体磁片直径为50 mm，线圈外径为46 mm，内径为21 mm。

线圈仿真模型示意图如图3所示。

图3 线圈仿真模型示意图

改进前的典型发射线圈模型为市面上常用的手机远距离发射线圈，即图3中发射线圈Lp，采用螺线双层密绕方式，匝数38匝，内径30 mm，外径76 mm，铁氧体磁片直径80 mm。典型发射线圈仿真结果如表1所示。改进后线圈模型采用可拆分结构设计，通过仿真设计确定各线圈内外径，同样采用螺线双层密绕方式，内径22 mm，外径76 mm，铁氧体磁片直径80 mm。其将发射线圈从结构上拆分为2个线圈，发射线圈Lp1匝数12匝，外径50 mm，内径22 mm；发射线圈Lp2匝数11匝，外径76 mm，内径50 mm。

表1 典型发射线圈仿真结果

对于典型发射线圈，其近距离互感量过大不利于无线电能传输；而改进后的发射线圈通过拆分线圈的方式，系统通过检测接收端的位置自适应控制谐振参数，优化互感和耦合系数，提高电能传输性能。在近距离0～10 mm时，采用发射线圈Lp1不仅减小了互感量M，还提高了耦合系数k；在远距离时，通过发射线圈Lp1加发射线圈Lp2的方式提高其互感量M及耦合系数k，以增加其功率传输性能。改进后的发射线圈仿真结果如表2所示。仿真数据显示：在近距离0 mm处，改进后线圈相比于原线圈互感量降低了31.76%；在远距离30 mm处，改进后线圈相较于原线圈互感量提高了13.50%。通过独特的线圈拆分设计，外表与单线圈无异，但可达到两个线圈的功能，相比于多线圈系统，大幅减小了线圈体积和成本。

表2 改进后的发射线圈仿真结果

2.2 系统电路设计与仿真

为了验证线圈仿真测试平台的有效性，搭建WPT系统的发射端部分硬件电路，如图4所示。

图4 发射端部分硬件电路

图4主要包括4个电路模块：逆变电路用于将直流电转化为交流方波信号；自适应谐振控制网络包括谐振电容控制电路和谐振电感控制电路，谐振电容控制电路通过单片机输出S1信号的高低电平来控制继电器K1，选择电容Cp2或Cp3；谐振电感控制电路通过单片机输出S2信号的高低电平来控制继电器K2，选择电感Lp1或Lp1+Lp2；通过合理的电容容值和线圈设计，自适应调节系统谐振频率，优化系统在不同工作距离下的谐振参数，以解决单一谐振网络下距离受限的问题，增加工作距离范围和效率。系统控制流程如图5所示。

图5 系统控制流程

基于PSIM软件搭建WPT系统仿真模型，充电距离与最大输出功率关系仿真结果如图6所示。

图6 充电距离与最大输出功率关系仿真结果

输出电阻RL设置为5Ω，工作频率设置为127 kHz。图6仿真结果表明，改进型WPT系统在0～30mm不同距离下，系统输出的功率都能达到7.5 W，可实现宽距离范围的功率输出。

3、实验验证

基于硬件电路搭建实验样机对其进行实验，样机如图7所示，线圈使用的利兹线为直径0.08 mm&108股。样机的各项基本参数如表3所示。样机的各项参数测试值与对应的仿真值各项指标都在可接受误差范围内。器件仿真值与测试值如表4所示。改进前的线圈采用典型的串联拓扑，通过式（1）计算可知谐振频率为131.36kHz；改进后的线圈基于CLC拓扑，谐振频率根据图5中开关S1和S2的位置，线圈（Lp1或Lp1+Lp2）和电容（Cp2或Cp3）可有4种搭配，分别为：Lp1搭配Cp2时，通过计算可得谐振频率为247.21 kHz;Lp1搭配Cp3时，通过计算可得谐振频率为131.50 kHz;Lp1+Lp2搭配Cp2时，通过计算可得谐振频率为123.37 kHz;Lp1+Lp2搭配Cp3时，通过计算可得谐振频率为65.63 kHz。控制单元根据接收端所在的充电距离，自适应选择系统线圈和工作频率，从而提升WPT系统性能。

图7 系统实验样机

表3 样机的各项基本参数

表4 器件仿真值与测试值

在系统负载阻值设置为5Ω和接收端输出最大功率设定为7.5 W条件下，测试样机在不同传输距离的数据，典型WPT系统和基于谐振网络控制策略的改进型WPT系统输出功率及充电效率实验结果如图8和图9所示。

图8 系统输出功率实验结果

图9 充电效率实验结果

通过比对测量数据，典型WPT系统在距离10～30 mm可达到满功率7.5W，在0～10mm范围内输出无法达到；而改进型WPT系统在全范围0～30 mm内都可达到满功率7.5 W，工作距离范围增加了50%。在效率方面，改进型WPT系统在全距离范围都有显著提升。

4、结论

本文以LC串联拓扑的WPT系统为基础，提出一种基于谐振网络控制策略的改进型WPT系统方案，分析了WPT系统电路拓扑及其工作原理，依据系统等效电路模型进行了理论分析。通过谐振网络控制策略和线圈设计来自适应调节系统谐振频率，优化系统在不同工作距离下的谐振参数，以解决单一谐振网络下距离受限的问题，增加工作距离范围，提升效率。此外，通过磁场和电路仿真验证该WPT系统的可行性。最后基于仿真结果搭建了实验样机进行验证。实验数据表明，相较于改进前的WPT系统，所提系统拓宽了有效工作距离并提升了效率。所设计的系统方案对于固定工作频率或工作频率范围较窄的需求有较大的应用价值，且适用于距离范围宽、效率及保护要求高的场合。

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文章来源:潘星星,李光平,陈宇.基于谐振网络控制策略的无线电能传输系统[J].现代电子技术,2025,48(02):109-114.