黃智聰 鄒博維 黃振威

基于開關(guān)可控電容和半控整流橋的功率源型感應(yīng)式耦合電能傳輸系統(tǒng)

黃智聰 鄒博維 黃振威

（華南理工大學(xué)吳賢銘智能工程學(xué)院 廣州 511442）

該文提出一種單級功率源型感應(yīng)式耦合電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸出功率在負(fù)載發(fā)生變化時可以保持恒定。相較于傳統(tǒng)電流源型或電壓源型ICPT系統(tǒng)，該ICPT系統(tǒng)具有可編程配置的功率源輸出能力，實現(xiàn)更寬的輸出范圍，可以兼容適配不同規(guī)格電池模組或超級電容充電。該功率源型ICPT系統(tǒng)在一次側(cè)采用LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，二次側(cè)包括串聯(lián)一個開關(guān)可控電容（SCC）以及一個半控整流橋（SAR）。該文還提出一種協(xié)同控制SCC和SAR的方法，實現(xiàn)ICPT系統(tǒng)二次側(cè)工作在諧振的狀態(tài)，以及可以通過配置二次側(cè)等效負(fù)載阻抗實現(xiàn)可調(diào)輸出功率。由于控制方案是基于固定工作頻率和二次側(cè)實時調(diào)節(jié)，所以無需一次、二次側(cè)無線反饋通信。此外，該單變換器級ICPT系統(tǒng)的開關(guān)器件始終工作在軟開關(guān)模式，減少了開關(guān)損耗。最后，通過對ICPT系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和實驗驗證，證明了ICPT系統(tǒng)及其控制方法的可行性。

感應(yīng)式耦合電能傳輸 恒功率 開關(guān)可控電容 半控整流橋 寬輸出范圍

0 引言

感應(yīng)式耦合電能傳輸（Inductive Coupled Power Transfer, ICPT）是一種新興技術(shù)，無需任何物理接觸，即可無線傳輸電能。該技術(shù)通過一個松散耦合的磁感應(yīng)鏈接將電能從系統(tǒng)一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。由于負(fù)載端和供電端不存在直接的電氣接觸，無裸露的金屬接插件，消除了火花和電擊風(fēng)險[1-2]，不受惡劣天氣的影響，更加安全可靠。因此，ICPT技術(shù)潛在應(yīng)用領(lǐng)域眾多，包括消費電子、醫(yī)療電子、水下充電和電動汽車等[3-8]。

針對ICPT變換器輸出特性的研究，國內(nèi)外眾多學(xué)者從補(bǔ)償電路設(shè)計出發(fā)，以恒定或近似恒定的電壓增益、跨導(dǎo)、跨阻或電流增益為目標(biāo)[9-12]，使得ICPT變換器具有電流源或電壓源輸出特性，不受負(fù)載變化的影響。相比于傳統(tǒng)的SS（一次側(cè)串聯(lián)- 二次側(cè)串聯(lián)）型、SP（一次側(cè)串聯(lián)-二次側(cè)并聯(lián)）型、PS（一次側(cè)并聯(lián)-二次側(cè)串聯(lián)）型、PP（一次側(cè)并聯(lián)-二次側(cè)并聯(lián)）型補(bǔ)償拓?fù)?，LCC-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點：①一次側(cè)采用LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成一個導(dǎo)抗網(wǎng)絡(luò)[13-14]，一次線圈獲得恒流激勵，因此二次側(cè)感應(yīng)電壓與耦合系數(shù)呈線性單調(diào)遞增關(guān)系，便于二次側(cè)的設(shè)計和控制[15]。②二次側(cè)采用S型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一方面減少二次側(cè)元器件數(shù)量、降低負(fù)載端設(shè)備質(zhì)量；另一方面獲得電壓源型輸出?；谏鲜鰞?yōu)點，LCC-S型ICPT變換器被廣泛研究和應(yīng)用。

一般而言，利用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的固有輸出特性，ICPT變換器可以作為電流源和電壓源工作，通過增加多級變換器以實現(xiàn)對電池的先恒流后恒壓充電策略。文獻(xiàn)[16]在諧振變換電路的前級和后級分別加入了一個DC-DC變換器，通過調(diào)節(jié)逆變器前和整流橋后的直流母線電壓1,dc和2,dc來進(jìn)行系統(tǒng)增益控制。這種采用兩個DC-DC變換器的方法將控制復(fù)雜度進(jìn)一步降低，諧振變換電路在輕載或大偏移范圍下的傳輸效率得到提升。文獻(xiàn)[17]采用改變諧振變換電路的輸入電壓in和逆變器的工作頻率來實現(xiàn)恒流-恒壓的輸出控制。文獻(xiàn)[18]在諧振變換電路一級的后端級聯(lián)了兩路交錯并聯(lián)的Boost型變換器來降低輸出電流紋波。但是增加額外的變換器會使得系統(tǒng)傳輸效率低，且體積增大。為此，越來越多的學(xué)者開始研究單級ICPT變換器。單級ICPT變換器可以通過跳變工作頻率點[19-20]，或通過切換補(bǔ)償電路[21-24]，實現(xiàn)從電流源到電壓源輸出的切換，兩種控制設(shè)計都較為簡單。文獻(xiàn)[25]進(jìn)一步提出采用高階補(bǔ)償電路，通過補(bǔ)償參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，擺脫松耦合變壓器參數(shù)對輸出特性的束縛，可以自由設(shè)計電流源和電壓源的輸出幅值。而為了抑制松耦合變壓器發(fā)生位置偏移的影響，文獻(xiàn)[26]則提出復(fù)合補(bǔ)償電路，在發(fā)生位置偏移的情況下，ICPT變換器依然能夠取得近似于電流源或電壓源輸出特性。

然而，一旦松耦合變壓器和補(bǔ)償電路的參數(shù)固定以后，ICPT變換器固有的電流源和電壓源輸出特性不可調(diào)，因而輸出電壓電流范圍受限，在實際應(yīng)用中仍有很大局限性。ICPT變換器的輸出特性曲線示意圖如圖1所示。ICPT變換器的最大傳輸容量取決于松耦合變壓器[27]，理想情況下不考慮無功影響，存在一個額定的最大輸出有功功率，如圖1虛線所示。利用ICPT變換器固有的電流源或電壓源輸出特性，允許的最大輸出電壓電流范圍受限于額定功率，分別如圖1a的陰影區(qū)域和圖1b的陰影區(qū)域所示?？紤]到負(fù)載變化，這就需要額外的前端變換器或后端變換器來調(diào)節(jié)輸出功率。文獻(xiàn)[28-29]提出級聯(lián)DC-DC變換器，通過占空比控制調(diào)節(jié)改變電壓源或電流源的輸出幅值，但是增加額外變換器會導(dǎo)致?lián)p耗、體積和成本的增加。而文獻(xiàn)[30]提出使用有源整流電路代替級聯(lián)DC-DC變換器，雖然可以減少一級變換器，但是硬開關(guān)的調(diào)制方式造成效率不高的問題不可忽視。同時，通過圖1的對比可知，當(dāng)ICPT變換器工作在電流源或電壓源模式并應(yīng)用于電池充電，僅額定工作點達(dá)到最大功率。而如果把ICPT變換器設(shè)計成功率源型系統(tǒng)并采用恒功率充電，可以一直維持最大功率充電。因此，單變換器級功率源型ICPT系統(tǒng)具有研究意義。

圖1 ICPT變換器的V-I輸出特性曲線

為了使ICPT系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化時可以保持恒定的輸出功率，本文提出并探討了一種單變換器功率源型ICPT系統(tǒng)的構(gòu)造和控制方法?？删幊毯愎β薀o線傳能系統(tǒng)的原理如圖2所示，該ICPT系統(tǒng)的一次側(cè)采用LCC補(bǔ)償，在二次側(cè)串聯(lián)一個開關(guān)可控電容（Switched-Controlled Capacitor, SCC）和一個半控整流橋（Semi-Active Rectifier, SAR）。本文還提出了一種二次側(cè)協(xié)同控制的操作方法，通過控制開關(guān)可控電容的控制角和半控整流橋的導(dǎo)通角，具有與負(fù)載傳輸特性無關(guān)和系統(tǒng)零相角（Zero Phase Angle, ZPA）特性工作的優(yōu)點，配置二次側(cè)等效負(fù)載阻抗實現(xiàn)可編程恒功率輸出，可以兼容適配不同規(guī)格電池模組或超級電容充電等工況。該控制方案基于固定工作頻率和二次側(cè)實時調(diào)節(jié)，無需無線反饋通信。此外，該單變換器級ICPT系統(tǒng)的開關(guān)器件始終工作在軟開關(guān)模式，減少了開關(guān)損耗。最后，本文對所提單變換器級功率源型ICPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和實驗驗證，證明其可行性。

圖2 可編程恒功率無線傳能系統(tǒng)的原理

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 半控整流橋建模

式中，等效電阻和相應(yīng)的電抗分別為

圖3 半控整流橋的開關(guān)序列和工作波形

式中，L為電池或超級電容的等效負(fù)載。

除非另有標(biāo)注，否則在本文的其余部分中，表示由其下標(biāo)部件的相應(yīng)電抗。

1.3 開關(guān)可控電容

圖4 開關(guān)可控電容的開關(guān)序列和工作波形

據(jù)研究，SCC可以通過考慮S和SCC的基波分量來計算[35-36]。SCC的等效容抗計算得

圖5 SCC的等效電抗與控制角

1.4 等效電路模型

圖6中，SCC和eq在二次側(cè)中提供容性電抗，它們可以由二次側(cè)等效補(bǔ)償電容S,eq表示，其電抗?jié)M足

圖6 系統(tǒng)的交流等效電路模型

因此，由圖6電路可得

系統(tǒng)諧振頻率等于逆變器工作頻率，二次側(cè)通過控制開關(guān)可控電容的等效容值可以使得二次線圈電感S與半控整流橋產(chǎn)生的電抗穩(wěn)定在串聯(lián)諧振狀態(tài)，二次側(cè)等效阻抗為純電阻，控制方法將在第2.2節(jié)中詳細(xì)介紹，因此各電路補(bǔ)償參數(shù)通常滿足

2 輸出特性及控制

2.1 可編程式恒功率輸出

進(jìn)一步地，可以得到所提系統(tǒng)的輸出功率O為

式中，下標(biāo)RMS表示該相量的有效值。

將式（14）代入式（15）中，可得

當(dāng)負(fù)載電阻L大范圍變化時，即L∈[L,min,L,max]，為了保持系統(tǒng)輸出功率O,ref恒定，通過調(diào)節(jié)半控整流橋等效為匹配的參考負(fù)載eq,ref，即滿足

圖7 不同負(fù)載下可編程恒功率輸出與導(dǎo)通角的關(guān)系

圖8 與負(fù)載無關(guān)輸出特性和ZPA特性的可編程恒功率輸出的控制方法

2.2 開關(guān)可控電容與半控整流橋協(xié)同控制

表1 ICPT系統(tǒng)的基本參數(shù)

Tab.1 Basic system parameters

圖9 開關(guān)可控電容與半控整流橋協(xié)同控制的仿真結(jié)果

圖10 不同負(fù)載電阻值下的輸出功率PO和對應(yīng)導(dǎo)通角的關(guān)系

2.3 控制框圖及協(xié)同控制的實現(xiàn)

圖11 可編程恒功率無線傳能系統(tǒng)的二次側(cè)控制

3 實驗驗證

圖12 無線傳能系統(tǒng)實驗平臺

3.1 穩(wěn)態(tài)模型驗證

圖13 交流輸入以及直流輸出實驗結(jié)果

圖15 穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)的效率實驗結(jié)果

進(jìn)一步測量系統(tǒng)在變負(fù)載過程中的效率變化情況，繪制系統(tǒng)效率的曲線，如圖16所示。

圖16 變負(fù)載過程中系統(tǒng)效率實驗結(jié)果

3.2 負(fù)載變化時的瞬態(tài)響應(yīng)

在第2.3節(jié)中介紹的閉環(huán)二次阻抗協(xié)同控制方案在DSP中實現(xiàn)，用于恒功率充電和保證整個充電過程中的ZPA特性。設(shè)置恒功率輸出O,ref=50W，圖17中顯示了當(dāng)負(fù)載突變時的瞬態(tài)波形。系統(tǒng)輸出功率O由O和O相乘來計算。從圖中可以看出，由于O受到所提控制策略的調(diào)制，在負(fù)載發(fā)生突變的時刻，O未見明顯漂移，系統(tǒng)響應(yīng)時間較快，穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖17 負(fù)載階躍變化時的實驗結(jié)果

3.3 可編程式恒功率輸出驗證

如圖18a所示，設(shè)置的參考輸出功率O,ref=40W。而考慮到實際器件的損耗等因素，在實驗中相應(yīng)的輸出功率在38.6W時近似恒定，完全在可以接受的范圍內(nèi)。對比圖18a～圖18c可知，在同樣負(fù)載L變化的范圍內(nèi)，輸出功率可以實現(xiàn)不同等級的恒功率輸出，并且系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高。實驗結(jié)果驗證了所提系統(tǒng)的可編程式功率源輸出特性。

4 結(jié)論

本文提出了一種單級功率源型ICPT系統(tǒng)，在整個傳能過程實現(xiàn)可編程式的恒功率輸出。提出了一種新的調(diào)制方法：通過控制SCC的控制角和SAR的導(dǎo)通角，結(jié)合了與負(fù)載無關(guān)的傳輸特性和系統(tǒng)ZPA特性的優(yōu)點，是實現(xiàn)可編程配置恒功率輸出的簡單解決方案。所提系統(tǒng)能最大限度地拓寬單級ICPT變換器的輸出電壓電流范圍，兼容適配不同電池模組或超級電容的充電要求。所提ICPT變換器的工作頻率是固定的，只在二次側(cè)采用簡單的PI控制來實現(xiàn)可編程式恒功率輸出，控制無需無線反饋通信。同時所有開關(guān)器件都實現(xiàn)了ZVS，減少系統(tǒng)開關(guān)損耗，優(yōu)化了系統(tǒng)效率。

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Programmable Constant-Power Inductive Coupled Power Transfer System Based on Switch-Controlled Capacitor and Semi-Active Rectifier

（SHIEN-MING WU School of Intelligent Engineering South China University of Technology Guangzhou 511442 China）

This paper proposed a single-stage inductive coupled power transfer (ICPT) system with constant power (CP) outputs against load variation. Compared with conventional ICPT systems with constant current or constant voltage output characteristics, CP output characteristics can maximize the output power capability of the ICPT system, which is suitable for battery or supercapacitor charging applications. The proposed ICPT system uses an LCC compensation structure on the primary side and a switched-controlled capacitor (SCC) in series with a semi-active rectifier (SAR) on the secondary side. This paper also proposed a coordinative control method for the SCC and SAR to achieve a resonant secondary side of the ICPT system and adjustable output power by configuring the equivalent load impedance of the secondary side. Since the control scheme is based on a fixed operating frequency and real-time regulation on the secondary side, no wireless feedback communication is required. Moreover, all power switches realize soft-switching to reduce switching losses. Finally, simulation and experiment verify the correctness and feasibility of the proposed model and method.

Inductive coupled power transfer, constant power, switch-controlled capacitor, semi- active rectifier, wide output range

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220915

TM724

國家自然科學(xué)基金（52007067）、廣東省自然科學(xué)基金（2022A1515011581）和廣州市基礎(chǔ)研究計劃（202102020381）資助項目。

2022-05-26

2022-08-038

黃智聰 男，1987年生，博士，副教授，研究方向為無線電能傳輸機(jī)理及應(yīng)用。E-mail: zhiconghuang@scut.edu.cn（通信作者）

鄒博維 男，1996年生，博士研究生，研究方向為無線電能的傳輸技術(shù)。E-mail: wizoubowei@mail.scut.edu.cn

（編輯 陳 誠）