无线充电系统恒压恒流控制策略分析

王 飞

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000）

0 引 言

无线输电技术最大的亮点是摒弃了传统的电线连接方式，具有对用电环境的依赖性低、电能损耗小等优点[1]。目前，无线输电的形式主要包括电磁感应式无线输电、电磁辐射式无线输电、磁耦合谐振式无线输电[2]。磁耦合谐振式无线输电兼顾传输效率高和传输距离远的特点，被广泛应用于手机无线充电。由于用电设备负载的动态变化过程会导致输出效率低，因此采用恒压恒流控制方式维持其稳定。恒流充电的原理是维持充电过程中电流保持不变，容易导致电池过充，造成电池的使用寿命大大缩短[3]。恒压充电的原理与恒流充电相似，即在充电过程中保持电压的大小和方向不变，容易导致充电不足。实现恒压恒流的充电有很多方法，例如混合补偿法、DC-DC变换电路法、变频控制法以及移相控制法等[4]。本文利用移相控制法实现恒压恒流充电，该方法无需改变谐振补偿结构，不用添加功率变换模块，具有结构简单和设计成本较低的优点。

1 磁谐振式无线充电补偿拓扑的分类

磁耦合谐振式无线充电系统相当于松耦合变压器，可以降低系统的无功功率。通过在原边电路和副边电路中加入补偿电容，使系统处于谐振状态[5]。由电路理论知识可知，处于谐振状态时，系统传输功率和传输效率达到最大。根据补偿电容与收发线圈的连接方式，可分为SS型、SP型、PS型以及PP型[6]。其中，S代表补偿电容与线圈串联，P代表补偿电容与线圈并联。以结构简单的SS型补偿拓扑结构为例，仿真分析负载阻值变化对输出功率和效率的影响。

SS型补偿电路输出功率变化曲线如图1所示。

图1 SS型补偿电路输出功率

由图1可知，随着负载阻值的增大，输出功率逐渐变大。负载阻值在0～100 Ω变化时，输出功率和负载阻值成正比例关系，而输出功率的增长速度随着负载阻值的增大而逐渐减小。当负载阻值为100 Ω时，输出功率达到最大。

SS型补偿电路输出效率如图2所示。

图2 SS型补偿电路输出效率

由图2可知，随着负载阻值的增大，输出效率先增大再减小。当负载阻值为9.7 Ω时，输出效率最大，达到93.34%。

2 磁耦合谐振式无线充电系统

原边电路和副边电路是构成磁耦合谐振式无线充电系统的两大部分。其中，原边电路由对电源进行调节的整流滤波环节和高频逆变环节、原边补偿电路以及发射线圈部分组成，副边电路由接收线圈、副边补偿电路以及功率调节装置组成[7]。

2.1 系统工作过程

由电磁知识可知，交流电的频率越高，传输的能量越大。通过整流电路将工频交流电转换为脉动直流电，然后通过高频逆变电路将脉动直流电转化成高频交流电，高频交流电流过能量发射线圈两端后产生磁场。通过调节谐振拓扑网络使发射机构和接收机构拥有相同的固有频率，从而增大电路中电压和电流的增益，提高传输效率和功率，延长传输距离。

2.2 能量传输过程

高频逆变电路驱动能量发射回路发生谐振，将电源提供的能量转变成能量发射回路中的电场能与磁场能。电容储存磁场能，电感储存磁场能，两者的大小相等，呈周期性震荡。能量发射回路中的磁场能通过耦合线圈转换成能量接收回路中的电场能和磁场能，引起收发线圈谐振，经过高频整流器向负载供能。储存在发射回路和接收回路的电场能和磁场能通过谐振和磁耦合现象不断交换，能量持续从电源传输到负载，实现电能的无线传输。

3 恒压恒流控制策略

在手机无线电能传输系统的实际应用中，负载的动态变化引起系统初始设置的谐振状态被打破，非谐振状态造成系统的输出特性发生很大的变化。为了维持负载两端恒定功率输出，不受系统参数变化的影响，提出移相控制策略。

3.1 基本原理

当整个无线电能传输系统受到外界扰动时，利用移相的控制模块对一次侧的MOS管驱动信号的占空比进行调节。首先，对副边线圈两端的电压及电流信号进行采样，将采集的电压及电流与设定的输出值进行对比；其次，将所获得的对比信号输送至比例-积分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）调制环节，计算得到相应的占空比；最后，将占空比的比值转换为驱动MOS管相应的方波脉冲，通过控制全桥MOS管的导通速率改变系统的传输状态，从而实现恒压恒流控制[8]。

3.2 仿真分析

采用SS型补偿的无线电能传输方式，通过仿真软件MATLAB搭建其主电路，在负载端截取相应的电压及电流信号传输至相应的控制模型中。发射电路产生交变磁场后由接收线圈接收，通过电磁转换将交变磁能转换为交流电，然后再通过全桥整流电路转换成负载使用时所需的交流电，经过滤波电容滤除危害用电设备的电压尖峰，直接输送给用电设备。搭建的模型如图3所示，其中用电设备以恒定的电阻来代替。

图3 仿真模型

采用全桥逆变电路，将输入端给定的直流供电电压通过控制全桥MOS管的通断转换成线圈传输所需的交变电流。由于传输线圈自带感值，为了保证处于高收发效率的状态，需要加入谐振电容使电感值和电容值保持平衡。系统经历起振状态之后0.1 s达到稳定状态，在0.2 s时施加外部脉冲控制与负载并联的MOS管，使MOS串联的电阻接入电路，此时等效负载发生变化。由电阻的串并联理论可知，并联到负载两端的电阻会使系统的阻值变小。

系统的输出电压仿真波形如图4所示。

图4 电压波形

由图4可知，输出电压在负载变化之前进入稳定状态，输出电压稳定为15 V。当系统的负载在0.2 s发生瞬间变化时，负载两端的电压下降，然后在0.25 s后电压稳定在15 V。

系统的输出电流仿真波形如图5所示。

图5 电流波形

由图5可知，当系统的负载在0.2 s发生瞬间变化时，流过负载的电流上升，然后在0.25 s后稳定在1 A。通过仿真实验，验证了通过移相控制方法实现恒压恒流输出的有效性。

4 结 论

综上所述，选用磁耦合谐振式无线充电的方式，提出移相控制的策略，在系统负载发生变化时维持输出电压及电流不发生变化。通过搭建仿真模型，对控制策略的有效性进行了实验验证，结果符合预期，具有一定的实用价值。