变负载无线充电系统的恒流充电技术
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
哈尔滨工业大学机电工程学院、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员宋凯、李振杰、杜志江、朱春波，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文，基于磁耦合共振原理，设计了一套采用平板磁心结构的变负载恒流充电无线电能传输系统。
利用等效电路模型分析影响传输功率、系统效率和充电电流的主要因素。根据超级电容恒流充电过程中等效负载电阻动态变化规律，采用不同阻值的功率电阻模拟其充电特性。
首先，分析二次侧Buck变换器对充电电流的调节作用，得到占空比与充电电流的关系，采用PI控制算法实现变负载的恒流充电；其次，通过理论分析和仿真实现磁耦合机构参数优化设计；最后，搭建系统实验平台对系统设计方法进行验证。在传输距离为15cm且负载电阻为0.5-5时，实现29A的恒流充电。当负载电阻为3.2时，系统效率和传输功率分别为87.7%和2.58kW。
2007年，美国麻省理工学院M. Soljacic教授团队提出磁耦合共振技术，这是一种以电磁场为媒介，通过磁耦合谐振作用实现电能无线传输的技术。该技术具有传输距离远、系统效率高且传输功率大等优点，已经成功应用于电动车、人体植入式设备及便携式设备等[1,2]。
就上述设备而言，大都以锂电池组和超级电容为动力源，其等效负载电阻在充电过程中动态变化[3]；同时，为缩短充电时间，需要采用大电流进行恒流充电。本文在分析超级电容充电过程中等效负载电阻动态变化的基础上，采用不同阻值的功率电阻对其恒流充电特性进行模拟。
无线充电系统的研究主要集中在补偿结构、磁耦合机构、功率变换器及控制策略等方面。通常而言，补偿结构用于提高系统效率和减小无功功率，包括串联-串联（串串）、串联-并联（串并）、并联-并联（并并）和并联-串联（并串）四种基本类型。
其中，采用串串补偿时，负载阻值和一、二次侧之间耦合系数变化不会影响系统谐振，适用于负载动态变化的系统[4]。磁耦合机构直接影响传输功率、系统效率和电磁兼容性等。文献[5]提出使用磁心材料优化设计磁耦合机构能够有效提高耦合系数、偏移容忍能力和磁屏蔽效果。
文献[6]提出采用串串和并串或串并和并并混合结构及切换开关实现定频方式为电池组进行恒压/恒流无线充电。文献[7]提出通过合理地设计工作频率实现串串或串并结构的变负载恒流充电，但由于分析过程中忽略了线圈内阻和负载范围对系统的影响，提出的方法仅能实现在一定负载范围内近似的恒流/恒压充电。因此，为实现精确、稳定且符合实际应用需求的恒流无线充电，控制策略是必要的。
通常而言，无线充电系统的控制策略主要分为一次侧控制和二次侧控制[8,9]。其中，一次侧控制需要采用无线通信方式将负载的充电电流/电压信息实时反馈到一次侧，实现充电电流/电压的恒定控制。二次侧控制不需要无线通信，通过增加二次侧DC-DC变换器调节充电电流/电压，这种方法能够提高系统的稳定性与可靠性。
本文提出基于二次侧Buck变换器的变负载系统恒流充电控制方法。通过理论和仿真分析影响传输功率、系统效率和充电电流的主要因素，并优化设计磁耦合机构。通过实验验证所设计系统能够实现变负载时恒流无线充电要求。
图1 系统结构示意图
结论
本文设计了一套基于平板磁心结构的变负载恒流无线充电系统。通过电路模型分析传输功率、系统效率和充电电流与互感值、Buck变换器占空比和负载电阻关系。由理论与仿真分析超级电容的等效负载电阻动态变化且阻值较小特点，采用不同阻值的功率电阻对其充电特性进行模拟和分析。
在优化设计磁耦合机构参数的基础上，采用二次侧PI控制算法调节Buck变换器占空比，实现变负载系统的充电电流恒定。最后，搭建实验平台验证理论分析与仿真结果的正确性。