基于非接觸通用供電平臺研究諧振頻率與系統穩定問題

引言

ICPT（Inductively Coupled Power Transfer）供電系統作為一種新型的非接觸電能傳輸系統，以非接觸的感應耦合方式可以實現各種功率水平的電能傳輸。由于其供電端與用電設備相互分離，不存在摩擦與磨損，避免了諸如滑動磨損、接觸火花、碳積和導體不安全裸露等所帶來的安全隱患，越來越受到一些易燃、易爆的化工、采礦等行業的青睞，也為新型非接觸充電設備的設計提供了廣闊的發展前景。目前已有電動汽車非接觸充電、煤礦有軌運輸車、個人剃須刀、人體醫學植入等成功應用的報道，且大多集中在針對單個負載情況下系統的電路設計，原副邊的補償結構，系統的諧振頻率與系統穩定等問題展開研究，本文以非接觸通用供電平臺為例研究多負載情況下系統的功率控制問題。

所謂非接觸通用供電平臺，是指通過一個平板以放置的方式向諸如手提電腦、臺燈、手機、CD機、MP3播放器、電子詞典等用電器單個或同時多個供電的裝置。由于供電的非接觸特性和放置負載的靈活性，有著廣闊的應用前景。本文基于非接觸通用供電平臺多負載情況下的拓撲結構，建立數學模型并分析單個負載存在突然變動或者負載變動較大，可能帶來整個系統崩潰的嚴重后果，提出一種自維持的動態解諧功率流量控制方法。其基本原理就是：根據負載對功率流量要求的變化，自動地改變拾取端電感或電容的值，使電路脫離諧振狀態，調整負載端的輸出電壓。當單個或其中某幾個負載突然出現重載或輕載時，系統能夠自動對該負載解諧，而當該負載恢復正常狀況時，又能夠使系統工作于諧振狀態，且又不需要外部控制電路來實現。自維持的動態解諧控制與傳統的控制方法如開關短路控制、線性調整器控制等相比有幾個非常突出的優點：

（1）比傳統的拾取端控制方法的效率更高。主要是因為該控制方法能夠智能的實時控制流入負載的功率流量。在開關短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動態解諧控制能夠根據需要的大小自動地調整流入負載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿足負載的需要。

（2）能夠適應運行頻率的小幅波動。傳統的拾取側控制方法假定拾取側的工作頻率等于原邊的運行頻率，同時也假定該系統運行是不分叉的，也就是不會出現多值現象。但實際當中，分叉現象的出現與頻率波動有很大關系。但動態解諧控制不會受系統頻率較小波動影響，它的解諧點能夠隨著運行頻率的波動做同向的移動。

（3）改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統應用當中，動態解諧控制能夠把功率根據負載的需要大小合理分配，額外的功率同時又可以供電平臺上的其他用電器供電，從而降低了原邊上的功率要求。動態解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動或者負載變動較大的設備。

（4）不需要額外的電壓調整器。動態解諧控制能夠把負載上的輸出調整到一個期望的水平等級，也就省去了額外的電壓調整過程。此外，比線性的電壓調整器又具有更大的靈活性，可以比較方便地設定電壓輸出值的大小。

1、典型的非接觸通用供電平臺

基本的電流饋送并聯諧振型非接觸通用供電平臺如圖1所示。由直流電感Ld、分裂電感Lsp與兩個MOS開關器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅動一個由原邊電容C1、電感L1組成的并聯諧振電路；n個L2，C2構成的并聯諧振電路，組成向等效負載RLn傳輸功率的拾取電路（pick up），n為負載的個數。

基于非接觸通用供電平臺研究諧振頻率與系統穩定問題

以單個負載為例進行分析，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：

為了便于對電路進行分析，根據等效原則對拾取側進行串并轉換，將與所構成的并聯電路轉換成電阻 Rs與電容Cs的串聯，則有：

這里，Q2=ωC2RL為副邊的品質因數。那么，副邊的阻抗Z2就為：

由式（1），拾取側的短路電流ISC為：

在選取副邊補償電容C2時，使其與副邊電感L2構成諧振，在拾取線圈上的電壓V2為：

負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。

通常情況下副邊電感L2上的電流為：

副邊拾取側映射到原邊的電壓Vr為：

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

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

2、動態解諧控制實現

考慮到多負載非接觸通用供電平臺的實際特點，采用動態解諧的解決方案，如圖2所示，該電路由一個定值電感和一個可變電容組成。負載的變動將導致輸出電壓Vo的變化以及功率的改變，因此，動態解諧諧控制主要是流入負載的輸出電流的大小。