• 頭條如何實時有效地監測全方向無線充電的負載位置?
    2020-08-24 作者:陳宏亮、林蘇斌  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員陳宏亮、林蘇斌,在2019年第8期《電氣技術》雜志上撰文(論文標題為“全方向無線充電負載位置前端監測”),為了解決目前全方向無線充電后端監測模式控制復雜、損耗大的問題,本文采用了一種錐形線圈排布方式,通過理論分析,提出了基于sepic電路的最大功率跟蹤策略。 在此基礎上,進一步構建了基于自適應控制算法的負載位置前端監測系統,通過發射側的信號采集,有效實現對負載位置的實時準確監測;最后設計了實驗樣機,驗證了系統的可行性。

    相對于有線充電,無線充電更便捷,安全性也更高。全方向無線充電是小功率無線充電領域的發展趨勢,也是目前企業界和學術界研究的熱點。

    有學者介紹了一種典型的無線充電模型,有學者提出了優化無線充電線圈的方法,有學者提出了一種優化補償網絡的方法,但均未對全方向無線充電進行具體的研究。有學者利用旋轉發射磁場來實現全方向無線充電,系統可以實時跟蹤負載的位置,但控制電機的引入無疑增大了系統的復雜度,使體積和重量也均有所增加,同時機械結構降低了系統壽命。

    有學者提出了采用兩個發射線圈正交的結構,通過控制線圈中的相位構造旋轉磁場來實現全方向,但未對磁場進行精準定位,且二維線圈結構自由度不高,使輸出功率和效率受限。有學者在二維正交線圈基礎上提出了采用單一閉合線圈結構,在XY平面內的確提高了傳輸距離和效率,但在Z方向不具有自由度。

    有學者通過遺傳算法實現了對負載與互感的識別,然而未對全方向進行深入分析。有學者采用多個發射線圈切換,增加了發射側的自由度,提高了平面內的抗偏移能力,不過沒有驗證在全方向上的傳輸效果。

    麻省理工學院在相關研究基礎上提出了基于“波束成形”的全方向無線充電控制算法,通過調整6個平放的平面螺旋形發射線圈的電流幅值和相位來實時跟蹤負載位置的變化,使磁場精準定位,然而由于負載的監測需要接收側與發射側進行無線通信,因此增加了系統控制的復雜度,并且無線通信的損耗也影響了系統效率,不適用于小功率的無線充電系統。

    香港大學許樹源團隊成果頗豐,在有關成果中提出了三維正交線圈結構,采用分時復用,調整發射線圈中的電流幅值相位來監測負載和互感,但分時復用無疑降低了充電速度,同時對互感和負載還需要進行后端監測。

    有學者提出了一種負載和互感的前端監測系統,但是要求采用發射端串聯-接收端串聯的補償方式,并且不能工作在諧振頻率附近,使得系統輸出功率大大降低。

    本文針對上述現狀,在對全方向無線充電系統進行綜合分析的基礎上,采用了一種根據負載位置自適應選通發射線圈,通過判定每個發射線圈中的電流幅值大小即可準確判斷負載位置,進而導通相應線圈。

    本文分4節闡述:第1節提出了一種全方向無線充電線圈方案,并對發射線圈組和接收線圈進行建模分析,計算了不同發射線圈對接收線圈的互感;第2節根據阻抗匹配的原理,提出了基于sepic電路的最大功率跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)策略;第3節提出了基于MPPT的負載位置前端監測系統,僅通過監測發射側電流的幅值即可判斷負載位置,并導通相應發射線圈;第4節制作了實驗樣機,測試效果良好。

    學術簡報|如何實時有效地監測全方向無線充電的負載位置

    圖7 前端控制電路圖

    學術簡報|如何實時有效地監測全方向無線充電的負載位置

    圖8 前端控制流程圖

    總結

    本文針對目前全方向無線充電后端監測方式的局限性,構建了基于MPPT的前端監測控制系統。首先監測不同發射線圈的電流幅值;接著判定電流幅值大小,通過自適應算法選通能實現最大功率輸出的線圈;最后通過實驗驗證了該前端監測控制系統的可行性。

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