基于能量传输通道的IPT系统非法负载检测技术

孙 跃 蒋 成 王智慧 戴 欣

（1.重庆大学自动化学院 重庆 400044 2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044）

1 引言

感应电能传输技术（Inductive Power Transfer），简称IPT技术，是一种通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新技术。感应耦合电能传输过程为：利用谐振变换器将直流电变换为高频交流电，注入原边能量发射线圈（或导轨线圈），根据法拉第电磁感应定律，该线圈在附近将激发出相同频率的交变磁场，然后处于该磁场中的副边能量接收线圈上将感应出电压，该电压经功率调节后输出给用电设备，从而实现电能的无线传输。当系统有异物（尤其是金属）进入工作范围时，由于高频磁场的存在必定会在金属内形成涡流，不仅降低了效率，而且金属的涡流发热还将给系统带来巨大的安全隐患。

在感应电能传输系统（IPT）系统中，现有的负载识别方法主要是通过RFID技术来实现[1,2]。该方法是在合法负载上添加 RFID标签，当系统没有检测到RFID信号时逆变器停止工作，即IPT系统停止工作。然而，IPT系统在能量传输过程中存在的高频磁场将会对 RFID反馈信号造成干扰，这就可能会导致系统的误读误判，降低了负载识别的正确率。因此，本文提出了一种高识别率的非法负载检测的方法，本方法是将负载识别信号调制到系统原边输入电流上，在原边对识别信号解调后，实现了负载辨识。这种方法的主要优点在于，负载辨识信号不需要通过额外的耦合线圈传递，而是直接反映在原边输入电流上，避免了传递中的干扰，提高了识别率。

2 电流型IPT系统拓扑

IPT系统拓扑根据原边和副边谐振方式的不同可以分为PP、PS、SP、SS型四种基本类型。本文以PS型拓扑结构为例，研究其非法负载检测方法。PS型IPT系统的电路拓扑如图1所示。

图1 PS型IPT系统拓扑Fig.1 Parallel-series resonant topology of IPT system

PS型拓扑结构分为原边和副边两大部分。在原边部分，直流电源Edc与直流电感Ldc一起构成准电流源[3]。S1-S44个 IGBT开关构成全桥逆变网络，所形成的2个开关对（S1，S4）和（S2，S3），以互补的形式产生方波逆变输出。能量发射线圈 Lp和谐振电容 Cp构成的并联谐振网络具有短路保护可靠性高的特点。在副边部分，能量拾取线圈Ls和谐振电容Cs构成接收谐振网络，并经过整流和滤波后向负载RL供电。

3 非法负载识别

3.1 原边输入电流和负载的关系分析

在IPT系统中，副边对原边部分的耦合作用直接体现为副边反射回原边的反射阻抗，该反射阻抗直接作用于系统谐振网络，导致系统谐振参数发生漂移[4]。因此，对反射阻抗的识别就显得很重要。

反射阻抗Zr由无功部分jωLr和有功部分Rr组成：

其中，有功部分Rr上消耗的功率即为副边在原边部分中产生的耗散功率，而其无功部分jωLr产生能量的储存或释放，不产生能量的耗散[5,6]。

定义系统的供给函数S(Edc,Idc)为系统的输入能量，可表示为[7]：

定义系统的耗散函数W(i,R)为系统的耗散能量，可表示为[7]：

由能量平衡关系可知，系统的输入能量等于系统的耗散能量，即：

对于副边串联谐振拓扑，副边阻抗为：

因此副边反射回原边的反射阻抗为：

其中，R1为整流滤波加负载RL的等效电阻，可以近似表示为：

联立式（5）和式（6）可得反射阻抗Zr的实部为：

为使系统传输功率最大化，则系统应工作在副边固有谐振频率点上，即：

将式（9）带入式（8），式（8）可写成：

由于原边电感的值一般为100uH到200uH，系统工作频率一般为20K赫兹左右，且因为系统是松耦合系统，故耦合系数k一般为0.1到0.3之间，因此可得以下关系[8]：

由式（11）可知，当输入电压Edc保持不变时，则可认为谐振电流为一个定值，其大小：

联立式（2）、（3）、（4）、（10）和（12），可得：

化简式（13）可得:

由上式可知，Edc，Rdc，Rp，W0，M，Rs，Lp都为已知量，因此可得输入电流Idc和负载RL的关系。

为了直观表示输入电流Idc和负载RL的关系，取表 1所示谐振网络参数，得到原边输入电流Idc随负载RL变化的曲线如图2所示。

表1 PS谐振网络参数表Tab.1 Parameters table of parallel-series resonant network

图2 原边输入电流和负载的关系Fig.2 The relationship of the primary input current and load

3.2 非法负载的识别方法

基于幅值调制ASK的思想，提出一种IPT系统非法负载检测方法。该方法原理图如图3所示。通过预设一个频率为f1的方波信号调制在副边负载上，控制负载也以频率f1进行通断，当系统初始化运行时，负载的通断将会在原边直流输入电流上解调出一个接近于频率为f1的方波，记该方波频率为f2。当系统在初始工作状态时，通过检测原边输入电流的方波频率，与预设信号的频率进行对比，当原边直流输入电流的频率检测值与预设信号的频率之差的绝对值小于或等于一个约为零的极小容限值时，则负载为合法负载，否则，即为非法负载。该方法的优点在于负载辨识信号不需要额外的耦合线圈进行传递，而是直接在能量传输通道上传递，将负载辨识信号反映在原边输入电流上，避免了传递中磁场的干扰，提高了识别率。

图3 IPT系统非法负载检测原理图Fig.3 The schematic diagram of illegal load identifying of IPT system

系统非法负载识别的工作流程图如图4所示，其中ε为约为零的极小容限频率值。

图4 非法负载识别流程图Fig.4 The flow diagram of illegal load identifying

4 仿真验证

为了验证识别模型的有效性，在Simulink环境中搭建了仿真模型进行验证，负载RL取30Ω，系统其它参数如表1所示。仿真结果如图5，图6，图7所示。

图5 频率为500Hz时的波形Fig.5 The waveform when a frequency of 500Hz

图6 频率为100Hz时的波形Fig.6 The waveform when a frequency of 100Hz

图7 频率为10Hz的波形Fig.7 The waveform when a frequency of 10Hz

由图5，图6，图7的分析可知，当负载切换频率过快（500Hz）时，由于电感中的电流不能突变，原边输入电流未呈方波波形；当切换频率减小时，频率为100Hz时，原边输入电流呈现方波波形，但在过零点处存在较大的震荡，易造成检测的误差；当切换频率为10Hz时，原边输入电流呈现和负载切换频率一致的方波。因此，在实际应用中，应适当降低负载切换频率，以提高频率检测的准确性。

5 结论

本文给出了一种新型的IPT系统非法负载检测方法，通过分析电流型 IPT系统的特性，得到了原边输入电流和负载成反比的关系，从而通过对负载进行通断调制和原边输入电流的解调判断负载的合法性。本文所设计的方法不需要负载辨识信号通过额外的耦合线圈进行传递，而是直接反映在原边输入电流上，避免了传统方法传递中的干扰问题，提高了识别率。该方法普遍适用于传统的IPT拓扑，但需要满足输入电压和谐振电流恒定的条件，仿真结果验证了该方法的可行性，对提高IPT系统的安全性具有一定的价值。

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Dai Xin,Sun Yue,Su Yugang,Wang zhihui,Tang Chunsen.Study on constant current control of inductive power transfer with parameter identification[J].Journal of Chongqing University,2011,34(6):99-100.

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