ICPT系统接收端稳压控制策略研究
张藤+李良光+王育宝
摘 要：针对现有的ICPT（Inductively Coupled Power Transfer Technology）系统中几种不同的接收端稳压控制策略，提出了一种更为优化的稳压控制策略：发射端恒流恒压控制策略，在不增加任何元器件的条件下更能起到稳压输出的效果。
关键词：动态负载；稳压；恒流恒压控制
无线传输系统中的接收端稳压控制问题一直是动态负载系统研究的热点，根据这一问题提出了通过控制发射端的电流电压来控制接收端电压稳定的研究新策略，通过MATLAB/Simulink的仿真和实验验证了稳压的可行性。
1 ICPT系统的工作原理
无线充电器的工作原理是利用法拉第电磁感应原理，当有电流通过线圈后，就会产生磁场，产生的磁场又会形成电压，有了电压之后就会产生电流，从而有了电流便可以对电池进行充电。
ICPT系统的工作原理结构框图如图1所示，其组成部分主要有两大模块：主电路模块和控制模块，主电路模块包括发射端和接收端。控制模块包括信息采集单元、主控制板以及驱动电路。控制模块主要用于发射端恒流恒压控制：动态负载的变动就会引起输出电压的不稳定，通过采集发射端的电流电压输送到主控制板进行相关处理得到控制逆变电桥的开关控制信号，驱动开关逆变电桥的开通与关断。此种控制电路省去了在接收端进行稳压的麻烦，简单、安全、准确。
2 恒流恒压控制策略
无线传输系统的关键组成部分——松耦合变压器，有两个相互独立的电感线圈绕制而成。发送端与接收端通过磁场耦合的形式传送能量，因此在ICPT系统中，电容补偿是提高传输功率必不可少的部分，一般在发射和接受端的电感上串联或者并联电容，用以补偿电感线圈的无功损耗，使其工作在谐振状态，为了减小电感无功损耗而提高传输功率，本实验主要讨论SP型的拓扑结构如图2。
图2 SP型电容补偿等效电路
US是激励源，RP、RS为发射端线圈和接收端线圈等效内阻，LP 、LS为发射端线圈和接收端线圈电感，CP、CS为对应谐振补偿电容，IP、IS为原副边电感电流有效值，RL为等效负载，M为互感。
一般ICPT系统的谐振频率ω较高，在计算过程中RS远远小于感抗ωLs，即：
RS<<ωLs
所以RS在电路分析过程中可以忽略不计。
副边谐振补偿电容CS的选取需满足：
系统接收端电路的总阻抗为ZS，发射端电路的总阻抗为ZP，接收端等效到发射端的引入阻抗为Zr，系统的总阻抗为ZT，则各个阻抗的计算如下所示：
根据以上可以推断出发射端电压VP与接收端电压V0和电流IP的关系如下所示
在接收端负载开路和接收端接入负载两种情况下可计算出Zr的值，由于系统在运行前各种参数都是测量好的，只有互感M是随着负载的接入而变化的，故由公式3可得出M的值，M得出后，V0只与VP或者IP有关，通过控制占空比就可调整VP和IP。
3 ICPT系统的仿真
利用MATLAB/Simulink进行实验仿真，仿真验证了输出电压的稳定性。分别是在恒载下、由轻载切换到重载下以及由重载切换到轻载下的输出电压仿真。图3是恒载输出电压，图4是由轻载切换到重载下以及由重载切换到轻载下的输出电压波形。
6 结论
通过理论分析和MATLAB/Simulink仿真以及实验验证了基于发射端恒流恒压控制策略的可行性，在负载增加或减少时不影响输出电压稳定性。
参考文献
[1]孙跃，祝兵权，戴欣.CPT系统输出电压主动控制技术[J].电源技术，2011（1）：76-78.
[2]林宁，姚缨英.恒压输出的无线电能传输系统设计[J].电力电子技术，201（2）：86-88.
[3]耿其炜，宋宇飞，陈耀.一种使用H 桥和多谐振荡的无线充电器设计[J].南京工程学院学报，2014，12（4）：4-9.
作者简介
张藤（1990―），女，硕士研究生，山东济宁人，主要研究方向：开关电源，无线充电。
摘 要：针对现有的ICPT（Inductively Coupled Power Transfer Technology）系统中几种不同的接收端稳压控制策略，提出了一种更为优化的稳压控制策略：发射端恒流恒压控制策略，在不增加任何元器件的条件下更能起到稳压输出的效果。
关键词：动态负载；稳压；恒流恒压控制
无线传输系统中的接收端稳压控制问题一直是动态负载系统研究的热点，根据这一问题提出了通过控制发射端的电流电压来控制接收端电压稳定的研究新策略，通过MATLAB/Simulink的仿真和实验验证了稳压的可行性。
1 ICPT系统的工作原理
无线充电器的工作原理是利用法拉第电磁感应原理，当有电流通过线圈后，就会产生磁场，产生的磁场又会形成电压，有了电压之后就会产生电流，从而有了电流便可以对电池进行充电。
ICPT系统的工作原理结构框图如图1所示，其组成部分主要有两大模块：主电路模块和控制模块，主电路模块包括发射端和接收端。控制模块包括信息采集单元、主控制板以及驱动电路。控制模块主要用于发射端恒流恒压控制：动态负载的变动就会引起输出电压的不稳定，通过采集发射端的电流电压输送到主控制板进行相关处理得到控制逆变电桥的开关控制信号，驱动开关逆变电桥的开通与关断。此种控制电路省去了在接收端进行稳压的麻烦，简单、安全、准确。
2 恒流恒压控制策略
无线传输系统的关键组成部分——松耦合变压器，有两个相互独立的电感线圈绕制而成。发送端与接收端通过磁场耦合的形式传送能量，因此在ICPT系统中，电容补偿是提高传输功率必不可少的部分，一般在发射和接受端的电感上串联或者并联电容，用以补偿电感线圈的无功损耗，使其工作在谐振状态，为了减小电感无功损耗而提高传输功率，本实验主要讨论SP型的拓扑结构如图2。
图2 SP型电容补偿等效电路
US是激励源，RP、RS为发射端线圈和接收端线圈等效内阻，LP 、LS为发射端线圈和接收端线圈电感，CP、CS为对应谐振补偿电容，IP、IS为原副边电感电流有效值，RL为等效负载，M为互感。
一般ICPT系统的谐振频率ω较高，在计算过程中RS远远小于感抗ωLs，即：
RS<<ωLs
所以RS在电路分析过程中可以忽略不计。
副边谐振补偿电容CS的选取需满足：
系统接收端电路的总阻抗为ZS，发射端电路的总阻抗为ZP，接收端等效到发射端的引入阻抗为Zr，系统的总阻抗为ZT，则各个阻抗的计算如下所示：
根据以上可以推断出发射端电压VP与接收端电压V0和电流IP的关系如下所示
在接收端负载开路和接收端接入负载两种情况下可计算出Zr的值，由于系统在运行前各种参数都是测量好的，只有互感M是随着负载的接入而变化的，故由公式3可得出M的值，M得出后，V0只与VP或者IP有关，通过控制占空比就可调整VP和IP。
3 ICPT系统的仿真
利用MATLAB/Simulink进行实验仿真，仿真验证了输出电压的稳定性。分别是在恒载下、由轻载切换到重载下以及由重载切换到轻载下的输出电压仿真。图3是恒载输出电压，图4是由轻载切换到重载下以及由重载切换到轻载下的输出电压波形。
6 结论
通过理论分析和MATLAB/Simulink仿真以及实验验证了基于发射端恒流恒压控制策略的可行性，在负载增加或减少时不影响输出电压稳定性。
参考文献
[1]孙跃，祝兵权，戴欣.CPT系统输出电压主动控制技术[J].电源技术，2011（1）：76-78.
[2]林宁，姚缨英.恒压输出的无线电能传输系统设计[J].电力电子技术，201（2）：86-88.
[3]耿其炜，宋宇飞，陈耀.一种使用H 桥和多谐振荡的无线充电器设计[J].南京工程学院学报，2014，12（4）：4-9.
作者简介
张藤（1990―），女，硕士研究生，山东济宁人，主要研究方向：开关电源，无线充电。
