非接觸通用供電平臺(tái)多負(fù)載解諧控制方法研究

0 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軌蛑悄艿膶?shí)時(shí)控制流入負(fù)載的功率流量。在開關(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。

并聯(lián)解諧控制的簡(jiǎn)化模型如圖3所示，當(dāng)電路解諧時(shí)，電感和電容的電抗都將隨之改變。此時(shí)，負(fù)載上的電流可以表示為：

為了進(jìn)一步說(shuō)明負(fù)載電流和電容值的變化關(guān)系，根據(jù)圖3給出如下關(guān)系式(12)：

其中：R表示負(fù)載，C表示可變電容，L是拾取線圈電感，VOC是感應(yīng)的開路電壓，IR是負(fù)載電流，ω是諧振頻率。由式(12)可以看出，如果其他參數(shù)如R，L，VOC，ω等都固定不變時(shí)，那么負(fù)載電流將隨電容值的變化而變化，如圖4所示。只有在電容的諧振值這一點(diǎn)負(fù)載電流值最大，當(dāng)電容值偏離諧振點(diǎn)電容越大，負(fù)載電流的下降也越大。因此，可以采用兩種方法來(lái)達(dá)到電路失諧，控制電流大小的目的，根據(jù)可變電容值與諧振點(diǎn)電容值的比較，可變電容小被定義為欠調(diào)諧控制和可變電容大被定義為過(guò)調(diào)諧控制。本文只以欠調(diào)諧控制為例來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)解諧方法。式(12)給出的是負(fù)載電流與可變電容之間的關(guān)系，其中負(fù)載是一個(gè)給定的不變量，而實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要考慮的是負(fù)載變動(dòng)與可變電容之間的關(guān)系，如式(13)：

其中：Vo是流經(jīng)負(fù)載的輸出電壓，R是負(fù)載，L是拾取線圈電感，ω是諧振頻率，VOC是拾取端感應(yīng)的開路電壓，C是可變電容。在給定的輸出電壓Vo的前提下，由式(13)可以計(jì)算出不同負(fù)載下的電容值。因此，可以采用電容在可控的開關(guān)頻率下開啟與關(guān)斷來(lái)等效電容值的變化，具體電路如圖5所示。

其中，在該電路中，電容開關(guān)控制依據(jù)負(fù)載輸出DC電壓反饋與給定的期望電壓參考值相比較的結(jié)果，產(chǎn)生控制電容開關(guān)的輸出信號(hào)。同時(shí)，在可控頻率下開關(guān)電容Ct開關(guān)能夠在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)所需要的平均電流；而位于開關(guān)電容前面的固定電容Cs的作用是為啟動(dòng)電容開關(guān)電路提供最小的啟動(dòng)功率。
    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為額定諧振頻率40 kHz，拾取側(cè)感應(yīng)開路電壓的峰值5．18V，副邊線圈電感15．4μH，負(fù)載上的輸出電壓設(shè)定為15 V。由式(14)可以求出固定電容值為0．673μH，相應(yīng)的開關(guān)電容值就等于諧振電容值減去固定電容的值，也就是0．357μH。圖6給出了負(fù)載輕載時(shí)，開關(guān)電容、固定電容、開關(guān)電容驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及輸出負(fù)載上的電壓波形。圖7和圖8給出的是動(dòng)態(tài)欠調(diào)諧控制下，負(fù)載變化上時(shí)的輸出電壓波形及負(fù)載上的輸出功率情況。從圖中可以看出，輕載時(shí)，開關(guān)電容開關(guān)頻率較低，該電路盡量保持解諧狀態(tài)來(lái)限制負(fù)載上的電壓大小，使電壓穩(wěn)定在15 V；同時(shí)，輸出功率并沒(méi)有隨著負(fù)載輕載運(yùn)行而增加，而相應(yīng)地有所減少，消除了對(duì)其他用電器的功率影響，避免了系統(tǒng)的崩潰。

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。