无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题,磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT)技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。
MCRWPT系统是一个多参数耦合的复杂电磁系统,各参数的变化都会导致系统失谐,进而影响系统的传输效率和传输功率,因此对MCRWPT系统的关键控制技术研究是保证系统能够以最优传输效率传递较高功率的前提。
下面将从频率跟踪控制技术、自动调谐技术、恒功率输出技术对MCRWPT系统能量高效传输、系统优化设计和智能控制进行分析概述。
高品质因数谐振系统是提高MCRWPT系统传输效率和传输功率的关键,但是高品质因数谐振电路易受系统参数变化造成系统失谐。自动调谐技术能够根据系统参数变化引起的失谐进行参数重新匹配,以达到自动调谐使系统始终工作在谐振状态,保证系统的高效、大功率电能传输。
自动调谐技术的关键在于系统参数发生变化时能够通过自动调整相关参数保证系统始终工作在谐振状态下。通过改变电感和电容大小的方法使系统达到谐振状态是调谐的重要手段,但是电感、电容的调节是一个被动的过程,通过增加一些控制手段实现主动控制才能保证调谐的连续性。
自动调谐技术能够有效地提升MCRWPT系统的传输效率和最大传输功率。自动调谐技术是促进MCRWPT技术推广应用的关键技术,针对不同的应用场景使用相应的调谐技术能够促进MCRWPT系统在不同领域和各种场景下高效稳定的运行。
MCRWPT系统依靠高频工作实现电能无线传输,一般工作频率在kHz~MHz范围内,系统的传输效率和传输功率对工作频率的变化非常敏感。因此,通过频率跟踪和控制技术能够实时监测系统的工作频率变化,从而保证系统发射端输出频率,接收端接收频率和谐振频率始终保持一致,从而有效地提高系统的工作效率和传输功率,频率跟踪技术其实也是实现自动调谐的一个手段。
MCRWPT系统在不同耦合条件下会出现频率分裂现象,导致系统传输功率和传输效率的下降。系统在谐振状态下电压和电流处于同相位,通过对发射端或接收端电流频率采样、检测实现系统频率跟踪。
对发射端电流频率跟踪可以直接检测发射端电流信号相位并将其与电压信号相位对比,若相位差为零则表示发射端工作在谐振状态;若相位差不为零则将反映相位差的脉冲信号反馈至驱动电路使其控制逆变器调节输出电源频率直至发射端电压电流同相,控制过程结束,系统重新恢复谐振状态。
由于接收端电流信号与发射端电压信号存在90°相位差,在跟踪接收端电流频率信号时需要首先将接收端电流移相才能进行频率跟踪。
因此,为了系统电路设计更加简单,大多数研究者都选择直接跟踪发射端电流频率,但是接收端电流频率的改变不受频率分裂现象影响,跟踪接收端电流频率信号是可以保证系统跟踪的频率始终为固有谐振频率而不受频率分裂现象的干扰,从而有效地保证频率跟踪控制系统始终在最大传输功率和最优传输效率的工作状态。
频率跟踪控制技术能够解决MCRWPT系统工作过程中环境变化和外部干扰导致系统参数变化引起的失谐问题,通过频率跟踪控制技术可以保证系统工作频率始终与系统固有谐振频率相匹配,使系统始终工作在最大功率和最优效率状态下。
在WPT应用场景中大多要求负载功率稳定,然而MCRWPT由于工作环境和负载变化都会引起输出功率动态变化。恒功率输出技术能够保证MCRWPT系统工作状态变化时保证恒功率输出,增强系统供电稳定性和安全性。
目前常用的输出控制策略是通过不同的控制方法实现恒压、恒流输出的目标。
实现恒功率输出的主要途径是控制一次电流、电压的相位和幅值,建立负载侧电阻与一次侧输入功率的函数关系是确定恒功率输出策略的关键。因此,以相互函数关系为依托,确立相应的控制策略是实现MCRWPT系统恒功率输出的关键技术手段。
本文编自2020年第20期《电工技术学报》,论文标题为“磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态”,作者为贾金亮、闫晓强。