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采用ON-OFF键控制的串联谐振无线电能传输系统的最大能效运行研究

摘要 无线电能传输（WPT）系统的最大能量效率可以通过在特定负载电阻值下使用磁谐振技术来实现。但实际的负载电阻不是恒定的,以前接收电路中使用开关DC/DC转换器来模拟等效负载电阻以实现最高能效。在本文中，提出了一种基于ON-OFF键控的新方法，以在不使用阻抗匹配的DC/DC功率转换器的情况下在宽范围的负载功率下实现高能效操作。这种方法简单有效的降低了平均开关频率和开关损耗,它可以应用于任何在恒定输出电压下工作的串联谐振WPT系统,且实验证实了该方案的有效性。

关键词 磁谐振，开关键控，无线电能传输（WPT）

1 介绍

自19世纪末以来，人们早期开发的磁耦合谐振式无线电能传输技术已成为高效WPT应用的基石。WPT系统的早期研究者通过最大化发射和接受线圈的KQ乘积来改善能量传输性能，其中K是互耦系数，Q是线圈的品质因数[1]。随着电力电子设备和利兹线的应用，WPT自20世纪80年代以来作为广泛应用的热门研究课题再次出现在人们视野里。WPT技术在过去三十年的发展使得它能够在移动机器人[2]，消费电子产品[3]和医疗植入物[4]领域中应用。人们积极的研究和开发活动正致力于将WPT扩展到电动汽车充电领域[5]。

数十年来，电力电子领域一直在使用磁耦合和谐振电路来实现高效的WPT。 在文献[6]和[7]中比较了串联和并联电感电容（LC）谐振电路的各种组合。最近大量学者研究了很多诸如LCC的高阶谐振电路[8]，特别是电动汽车的动态充电部分[9]。

虽然WPT系统可以在谐振下实现高能效，但应注意最大能量效率（MEE）点仅在某一负载电阻下产生。这意味着应将负载电阻转换为最佳值以实现高能效。

阻抗变换的典型方法：

1）变压器或磁耦合线圈[10];

2）阻抗变换网络（如用于阻抗匹配）;

3）DC/DC电源转换器[11]-[13]。

由于实际系统的负载电阻在实践中随时间变化，因此前两种方法不适合将负载电阻转换为所有可能的负载电阻的最佳值。在[10]中，初级线圈被分成两部分，以将电流从初级电路传递到中间线圈。可以将额定负载电阻（至最小负载电阻等输出电压）转换为系统的最佳值。当负载电阻变为较大值时，可以使用升压转换器将等效负载电阻调整到最佳值[11]-[13]。

图1 双线圈串联谐振WPT系统的电路模型

在用于WPT的谐振电路的各种类型中，串联谐振系统是被最广泛采用的，尤其对于市场上大多数无线充电便携式消费电子产品 [3]。与MEE不同[11]，本文提出了一种简单而高效的方法，可在宽负载范围内最大化能效，而无需在接收电路中使用阻抗匹配的DC/DC功率转换器。与之前的MEE跟踪概念不同，这种新方法设计在特定输出电压下工作，其确定了串联谐振WPT系统的最佳输入电压，确保WPT系统在系统通电时以最佳效率条件运行。这种方法对于任何具有恒定输出电压的串联谐振WPT系统，无论负载如何变化都可以实现最大效率。这意味着可以在宽负载范围（包括轻负载条件）实现高能效。实际上证明该提议方法可以通过使用ON-OFF键（OOK）控制来实现。在本文中，首先说明MEE发生的最佳负载电阻的条件，然后解释了OOK的实现方法。用已经构建的串联谐振WPT系统的硬件原型来评估所提出的方法，包括实际测量以确认提案的有效性。

2 最佳负载电阻的重要性

图1表示了双线圈串联谐振WPT系统的电路模型。我们假设工作频率应该等于这两个LC谐振的谐振频率,,L1和L2是自感值， 和 分别是发射端和接收端的谐振电容。因此，该系统可表示如下：

(1) (2)

其中 是输入正弦电压的均方根值，是接收端和发射端线圈之间的互感。如果输入电压具有矩形波形（例如由全桥逆变器产生），则应该等于矩形波的基波分量的有效值。 ,分别是初级电流 和次级电流的相量。和是发射端和接收端的交流绕组电阻，如图1所示，负载电阻标记为 。

有人指出，负载电阻是实现WPT系统高效的关键因素[3]。因为给定的WPT系统具有最佳的负载电阻,当实际负载电阻不等于最佳值时，系统的效率将会降低。基于双线圈系统中串联谐振补偿电路的WPT系统的最佳负载电阻可表示为[14]

(3)

表1 WPT系统的参数

谐振频率	100kHz
自感 ，	91.5
耦合系数	0．0689
输出电压	10V
线圈的品质因数	130

图2 WPT系统中负载电阻的能量效率函数

公式（3）表明了最佳负载电阻取决于接收端和发射端线圈的系统参数以及工作频率。该值不一定与实际负载电阻相匹配，因为实际负载电阻通常不是常数。

一般而言，在具有恒定输出电压的串联谐振WPT系统的设计阶段，系统的最佳负载电阻我们将首先设计为最小负载电阻（即额定或最大功率下的等效负载电阻值）。当实际负载功率小于额定功率时，等效负载电阻将增加。这里假设WPT系统具有恒定的输出电压，因此仅需要处理大于最佳负载的负载电阻（即设计中的最小等效负载电阻）的情况。

不仅要在最佳负载电阻值下而且在轻负载条件下都应保持较高的系统传输效率。表1列出了25 W负载下的示例参数。

系统能效曲线如图2所示。在这种情况下最佳负载为4Omega;可达到的最大效率为80％。因此系统的最小负载电阻设置为4Omega;，当负载功率为额定功率的1/10，即2.5 W时负载电阻变为40Omega;，效率为46.2％。现在，假设有一种方法可以将负载电阻转换为最佳值。系统的能量效率可以保持在接近80％。因此， 额定功率情况下的效率将提高33.8％。

考虑一个简单的双线圈WPT系统及其等效电路如图1所示。假设屏蔽一次和二次线圈的铁耗可以忽略不计，系统的耦合电路方程式为 (4) (5)

其中w是频率; 和 分别是一次线圈和二次线圈的电流矢量; 和 分别是一次线圈和二次线圈绕组的电阻; 和 分别是一次线圈和二次线圈的谐振电容; 是负载电阻。

A、MEE的最佳负载

假设铁损耗和功率逆变器损耗可以忽略不计，那么双线圈WPT系统的能效（eta;）就可以表示为

(6)

通过在不使用式（4）的情况下求解（2），可以获得均方根电流 的比。换句话说，线圈1中的补偿条件（或 的值）不会影响系统的效率。利用公式（5），能量效率可以进一步确定为

(7)

如果频率f（omega;=2pi;f）则可以通过以下步骤确定MEE的条件。首先，通过将eta;相对于 进行微分并将微分等于零

(8)

可以获得最大效率下的的 值

(9)

之后通过将eta;相对于 进行微分并将其等于零

(10)

可以获得最大效率 的最佳值

(11)

如果 ,MEE的最佳负载电阻为[20]

(12)

B、最大功率运行下的最佳负载

系统的输出功率

(13)

(14)

最大功率传输的最佳负载可以确定为 (15)

当系统以二次谐振的谐振频率（）工作时，可以实现系统的最大效率，式（15）可以改写为:

(16)

因此，

(17)

现在可以将式（15）中的表达式简化为

(18)

C 、最佳负载条件的比较

从式（12）和（18）可以看出，MEE运行的最佳负荷条件和最大功率传输的最佳负载条件是不同的。（12）括号内的内容是 。（18）括号内的内容是。另外，由于（18）中的括号项大于1，比较（12）和（18）：

(19)

3 恒定输入电压原理的推导

A、 具有输出整流的WPT系统的分析

图3（a）显示了具有给定和输出整流的典型串联谐振WPT系统。输出电压 取决于输入电压。如图3（b）所示，简化模型建立在以下假设之上：

图3（a）具有输出整流的串联谐振WPT系统; （b）简化的系统模型

1）二极管整流器的电压降是恒定的;

2）只考虑 和的基本组成部分;

3）电流是连续的和正弦的。因此

(20)

图3（b）中系统的电路方程为

(21)

(22)

其中 是 基波分量的有效值。这里假设和 同相，其相位角为零。

(23)

(24)

因此， 具有90°的相位角,它可以表示为

(25)

将（25）代入（21）

(26)

(27)

忽略了开关损耗的系统效率可以表达为 (28)

图4（a）具有恒定输出电压的串联谐振WPT系统的示意图

（b）具有恒定输出电压的串联谐振WPT系统的简化模式

(29)

其中

根据（29）佳负载电阻可以求得。因此，当二极管的电压降低时，最佳负载电阻将取决于输入电压。

B、具有常数的WPT系统分析输出电压

电池是WPT应用中常见的负载。串联谐振WPT系统的共同输出是常数电压源之前会有一个整流阶段输出阶段。因此，系统的原理图如图4（a）。为简化分析做出了类似的假设，简化模型如图3（b）所示。图4（b）中系统的表达式如下所示。

(30) (31)

其中 和 分别是 和 的基本分量的有效值。这里，假设同相的，和 具有零相位角。应该注意的是，简化会带来一些误差，这些误差将在实验结果中观察得到。但简化模型能对系统性能提供更深入的了解。

类似地， 具有90°相位角并且可以用（25）表示。通过求解（30）和（31）。

(32)

(33)

忽略开关损耗的系统效率可表示为

(34)

由 ，最佳输入电压为：

(35)

其中，

通过分析，可以得出关于在串联谐振WPT系统中实现MEE的以下要点:

1）如果输出直流电压被很好地调节到恒定电平，则可以在不考虑负载电阻的情况下表示串联谐振WPT系统的最佳输入电压。

2）对于给定的输出电压，可以确定最佳输入电压。

4 OOK控制的WPT系统

为了在宽负载范围（即从轻负载到额定负载功率）下仍然保持最佳能量效率的同时保持输出电压，提出了OOK控制。图5（a）显示了基于OOK调制的双线圈系列谐振WPT系统的示意图。功率逆变器的开关控制涉及两个频率。高频信号SHF和低频信号SLF如图5（b）所示。主逆变器的开关动作以较低频率调制。SHF是逆变器的原始高频开关信号，SLF是低频OOK调制信号。当SLF为逻辑高电平时，逆变器正常工作，当SLF为逻辑低电平时，逆变器的开关动作被有效禁止。以这种方式，可以通过低频信号SLF的ON / OFF控制来调节系统的输出功率。OOK方法与其他传统控制方法（如相移控制和标准占空比控制）之间存在两个主要差异。

首先，当低频调制信号SLF处于其激活状态时，一次与二次电路一起反向激活地用于WPT。一次电路的典型开关动作如图5中所示。因此，OOK方法的平均开关频率远低于相移控制的平均开关频率，在相移控制

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资料编号：[2777]