自适应频率跟踪无线充电最大效率传输关键技术研究

    廖仕利 张玲珺 王镜生 魏洪亚 胡力中 唐旭

    

    

    

    摘?要：为提高无线充电系统不同设备间的匹配效果，实现每个设备均以最大效率、最大功率充电，采用利用PP谐振，创新性的设计了动态自适应频率跟踪、三线圈并联发射、双线圈并联均流接收以及四象限高效率buck-boost等技术，实现了多设备匹配自适应最佳频率同时快速无线充电，已获得3项发明专利、3项实用新型专利。

    关键词：无线充电;效率;动态频率跟踪技术;并联发射

    中图分类号：TP393?文献标识码：A

    无线充电技术就目前发展形势来看，其主要应用领域主要集中在电子产品充电和新能源充电汽车两个方面，但由于无线充电技术的巨大发展潜能及优势，未来，该技术必定会应用到自动化生产设备、医疗设备，以及军事应用等各个方面。目前人们主要提出了四种无线电能传输原理，分别为、电磁感应、磁耦合谐振、无线电波电能传输以及无线超声波功率传输。电磁感应式由于原理简单且容易制作在市面上最为普及，但由于其传输距离严重受限而导致推广停滞不前[1-3]。

    这种技术是非常安全的，并且接收器的价格也很便宜，体积也小，除了无线充电，还可以实现数据的传输。只不过，其最终的产品无法在价格、功率、速度和安全等方面达到预期。为克服这些缺点，在磁耦合谐振原理的基础上利用DC-AC装置、PWM波整流装置和自动升降压装置共同完成双向无线充电功能。双向充电模式，使得装置既能作为发射端，也可以作为接收端，使系统能根据负载要求进行自动升降压，进而完成双向无线充电功能。同时本装置可以适应不同的机型，兼容性强，解决了充电设备与充电用户只能一一对应的单一化问题，还能一并解决由线路引发的安全问题和电力资源浪费问题，大大的提高了无线充电装置的充电效率，突破了现有无线充电产品效率和功率不能很好的兼顾从而导致充电速率低的局限。

    1 系统方案设计

    輸出端运用同步整流技术，接收端再通过频率跟踪技术反馈到发射端，使其达到最大效率，本项目最终到达的功率远远高于现有市场同类型产品。

    双向非接触式充电系统核心部分包括DC-AC，PP谐振，PWM整流电路以及自动升降压等装置。DC-AC装置将直流稳压电源转换成交流电，PP谐振实现无线电能传输，自动适应装置自适应负载。

    在功率达到快充的标准上，增加了快充识别芯片，能识别高通QC 3.0/2.0、华为以及其他几类厂商的快充协议，并使用最大效率动态自适应频率算法调整输入输出谐振频率以达到最大效率点。

    2 核心三线圈发射主电路设计

    三线圈并联发射部分是发射端中至关重要部分，电路图如图2三线圈并联发射电路图所示，在此电路中，通过默认可控电源输出供电，并通过控制电路输出的控制信号共同完成最大效率频率跟踪。在LC谐振元件参数选择中，通过详细公式计算辅以大量实验，最后选取到至今为止效率最高功率最大的参数进行设计。由于与公司签订合同原件参数不宜标出，所以重要元件参数已删去。

    在LC参数整定中，尤为关键因素为：在电感不同耦合状态下，电感值均会发生变化。因此给本实验带来很大困扰，尤其是变量中两线全平行距离的问题，即在不同输入电压等级下会有不同的最适距离。因此本项目设计了一种最大效率跟踪算法，使之在不同位置以及不同充电条件下实时跟踪最大效率点。

    在该电路中，为减少MOSFET发热以至于引起不安全因素，所以使用电压关断型的缓冲电路来转移MOSFET部分发热。并且为避免输入信号浮空时MOSFET直通，所以为MOSFET设置下拉电阻。

    3 自适应控制系统设计

    3.1 算法设计

    通过大量实验，去测试不同电量不同频率工作下的效率，发现同一个电量水平，不同的谐振频率会导致不同的充电效率和充电功率。在同一个谐振频率时，不同电量水平下也会有不同的充电效率和充电功率。实际工作中，最佳的谐振点会随着电量的改变而不断变化，从而导致充电全过程中只有很小的一段时间以最大效率、最佳功率充电。因此，欲达到实时最大效率的结果，需实时调整谐振频率。设计了一种实时跟踪最大效率的谐振频率算法，用来保持充电效率时刻在最大值。在多次测量之中得到大量数据。

    最佳效率跟踪依靠调节发射端的工作频率来实现。设谐振频率f1=200KHz，复杂（如手机充电设备）接入开始充电后，系统工作电流I1变化会引起频率偏离谐振点（由于阻抗的改变，并且I1变化会持续影响阻抗的变化）。频率偏离谐振点越远，传输的电能就越小。控制电流在最小的情况下，改变谐振频率，从而达到最大效率。在改变系统工作频率的过程中，系统的占空比保持50%不变，只有当工作频率达到上限时，才会通过减小占空比来减少能量的传输。

    3.2 程序设计

    如图3所示，通过采集机构实时采集发射端输入电压与电流值，通过蓝牙与接收端通信，获取接收端输出电压与电流值，下位机有处理器控制执行机构稳定输出电压和电流值，发射端通过执行机构改变谐振频率，通过比较器得到发射端输入电流偏差值，在电流值达到最小时，则达到了当前谐振最佳频率点，此时的系统的互感与阻抗匹配效果最好，效率达到最大。

    4 测试及结果

    目前无线充电普遍用的协议是QI标准，QI标准的充电最大电流仅为1A，输出功率仅为5W，同时效率也不如有线的快充QC3.0标准。基于QC3.0的有线快速充电的效率可达90%左右，因此在某种程度上也解释了无线充电技术迟迟没有得到大规模推广的原因。经过测试，本设计在突破QI标准的局限下使得充电效率可以达到90%以上，输出功率可达27W，实现了匹配QC3.0标准。

    5 结论

    本设计在前辈研究的基础上，利用DC-AC，PP谐振，最佳频率跟踪技术以及四象限自动升降压等装置设计了双向非接触式充电系统，采用了三线圈并联发射、双线圈并联接受方式，大大提高了充电效率低、改善了发热严重等问题，并且以“互联网+”为基础，建立了云端充电管理系统，使充电效率、数据线、充电用户数量等资源浪费问题得到很大的改善。

    参考文献：

    [1]耿宇宇，杨中平，林飞，等.基于多接收耦合线圈模式的无线电能传输系统特性分析[J].电工技术学报，2017（S2）.

    [2]温艳，邵毅.多耦合线圈自动切换技术的无线电能传输系统[J].电源学报，2014（03）.

    [3]周宇翔，陈希有，李冠林，等.利用单端口阻抗测量值和灵敏度分析的耦合线圈参数辨识[J].中国电机工程学报，2016（18）.

    基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（2019CX117）;重庆市技术创新与应用发展专项面上项目（cstc2019jscx-msxmX0003）

    作者简介：廖仕利（1970—），男，四川仁寿人，硕士，副教授，主要从事控制科学与工程领域、无线充电领域研究。