基于非接觸通用供電平臺(tái)研究諧振頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題

引 言

ICPT（Inductively Coupled Power Transfer）供電系統(tǒng)作為一種新型的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，以非接觸的感應(yīng)耦合方式可以實(shí)現(xiàn)各種功率水平的電能傳輸。由于其供電端與用電設(shè)備相互分離，不存在摩擦與磨損，避免了諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、碳積和導(dǎo)體不安全裸露等所帶來(lái)的安全隱患，越來(lái)越受到一些易燃、易爆的化工、采礦等行業(yè)的青睞，也為新型非接觸充電設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了廣闊的發(fā)展前景。目前已有電動(dòng)汽車非接觸充電、煤礦有軌運(yùn)輸車、個(gè)人剃須刀、人體醫(yī)學(xué)植入等成功應(yīng)用的報(bào)道，且大多集中在針對(duì)單個(gè)負(fù)載情況下系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，原副邊的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的諧振頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定等問(wèn)題展開(kāi)研究，本文以非接觸通用供電平臺(tái)為例研究多負(fù)載情況下系統(tǒng)的功率控制問(wèn)題。

所謂非接觸通用供電平臺(tái)，是指通過(guò)一個(gè)平板以放置的方式向諸如手提電腦、臺(tái)燈、手機(jī)、CD機(jī)、MP3播放器、電子詞典等用電器單個(gè)或同時(shí)多個(gè)供電的裝置。由于供電的非接觸特性和放置負(fù)載的靈活性，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文基于非接觸通用供電平臺(tái)多負(fù)載情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型并分析單個(gè)負(fù)載存在突然變動(dòng)或者負(fù)載變動(dòng)較大，可能帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果，提出一種自維持的動(dòng)態(tài)解諧功率流量控制方法。其基本原理就是：根據(jù)負(fù)載對(duì)功率流量要求的變化，自動(dòng)地改變拾取端電感或電容的值，使電路脫離諧振狀態(tài)，調(diào)整負(fù)載端的輸出電壓。當(dāng)單個(gè)或其中某幾個(gè)負(fù)載突然出現(xiàn)重載或輕載時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)該負(fù)載解諧，而當(dāng)該負(fù)載恢復(fù)正常狀況時(shí)，又能夠使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，且又不需要外部控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。自維持的動(dòng)態(tài)解諧控制與傳統(tǒng)的控制方法如開(kāi)關(guān)短路控制、線性調(diào)整器控制等相比有幾個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)：

（1）比傳統(tǒng)的拾取端控制方法的效率更高。主要是因?yàn)樵摽刂品椒軌?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">智能的實(shí)時(shí)控制流入負(fù)載的功率流量。在開(kāi)關(guān)短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動(dòng)態(tài)解諧控制能夠根據(jù)需要的大小自動(dòng)地調(diào)整流入負(fù)載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿足負(fù)載的需要。

（2）能夠適應(yīng)運(yùn)行頻率的小幅波動(dòng)。傳統(tǒng)的拾取側(cè)控制方法假定拾取側(cè)的工作頻率等于原邊的運(yùn)行頻率，同時(shí)也假定該系統(tǒng)運(yùn)行是不分叉的，也就是不會(huì)出現(xiàn)多值現(xiàn)象。但實(shí)際當(dāng)中，分叉現(xiàn)象的出現(xiàn)與頻率波動(dòng)有很大關(guān)系。但動(dòng)態(tài)解諧控制不會(huì)受系統(tǒng)頻率較小波動(dòng)影響，它的解諧點(diǎn)能夠隨著運(yùn)行頻率的波動(dòng)做同向的移動(dòng)。

（3）改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，動(dòng)態(tài)解諧控制能夠把功率根據(jù)負(fù)載的需要大小合理分配，額外的功率同時(shí)又可以供電平臺(tái)上的其他用電器供電，從而降低了原邊上的功率要求。動(dòng)態(tài)解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動(dòng)或者負(fù)載變動(dòng)較大的設(shè)備。

（4）不需要額外的電壓調(diào)整器。動(dòng)態(tài)解諧控制能夠把負(fù)載上的輸出調(diào)整到一個(gè)期望的水平等級(jí)，也就省去了額外的電壓調(diào)整過(guò)程。此外，比線性的電壓調(diào)整器又具有更大的靈活性，可以比較方便地設(shè)定電壓輸出值的大小。

1、典型的非接觸通用供電平臺(tái)

基本的電流饋送并聯(lián)諧振型非接觸通用供電平臺(tái)如圖1所示。由直流電感Ld、分裂電感Lsp與兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅(qū)動(dòng)一個(gè)由原邊電容C1、電感L1組成的并聯(lián)諧振電路；n個(gè)L2，C2構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，組成向等效負(fù)載RLn傳輸功率的拾取電路（pick up），n為負(fù)載的個(gè)數(shù)。

以單個(gè)負(fù)載為例進(jìn)行分析，拾取端開(kāi)路電壓為VOC，M為原副邊的互感，I1為原邊線圈上的電流，則有：

為了便于對(duì)電路進(jìn)行分析，根據(jù)等效原則對(duì)拾取側(cè)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將與所構(gòu)成的并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成電阻Rs與電容Cs的串聯(lián)，則有：

這里，Q2=ωC2RL為副邊的品質(zhì)因數(shù)。那么，副邊的阻抗Z2就為：

由式（1），拾取側(cè)的短路電流ISC為：

在選取副邊補(bǔ)償電容C2時(shí)，使其與副邊電感L2構(gòu)成諧振，在拾取線圈上的電壓V2為：

負(fù)載上的最大功率只與原邊電流，原副邊間的互感以及副邊線圈的自感有關(guān)。

通常情況下副邊電感L2上的電流為：

副邊拾取側(cè)映射到原邊的電壓Vr為：

在諧振的狀況下，副邊電感與補(bǔ)償電容相互消除，副邊阻抗可以簡(jiǎn)化為一個(gè)純電阻Rs，則映射電壓Vr的幅值可表示為：

從式（7），式（10）可以看出，負(fù)載RL的值越大，副邊拾取側(cè)映射到原邊線圈上的映射電壓就越大，該負(fù)載上獲取的功率也就越大。因此，在多負(fù)載的情況下，當(dāng)某一負(fù)載輕載時(shí)，也即是RL值突然變大或者波動(dòng)較大時(shí)，就很容易阻礙供電平臺(tái)上的其他用電設(shè)備獲取足夠的功率，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰；同時(shí)，輕載的負(fù)載也將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行頻率不穩(wěn)，以至于其他的用電設(shè)備由于不能工作于諧振頻率而不能獲取足夠的功率。

2、動(dòng)態(tài)解諧控制實(shí)現(xiàn)

考慮到多負(fù)載非接觸通用供電平臺(tái)的實(shí)際特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)解諧的解決方案，如圖2所示，該電路由一個(gè)定值電感和一個(gè)可變電容組成。負(fù)載的變動(dòng)將導(dǎo)致輸出電壓Vo的變化以及功率的改變，因此，動(dòng)態(tài)解諧諧控制主要是流入負(fù)載的輸出電流的大小。

3、 結(jié) 語(yǔ)

本文以非接觸通用供電平臺(tái)為對(duì)象，研究系統(tǒng)中單個(gè)負(fù)載突然變動(dòng)或波動(dòng)較大時(shí)，對(duì)其他用電器的功率影響的問(wèn)題，利用一種新穎自維持動(dòng)態(tài)解諧控制方法，無(wú)需額外的控制電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠使負(fù)載的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)給定的期望值。最后，PSpice仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性。

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