如何實時有效地監(jiān)測全方向蓄電池充電器無線充電的負載位置
2019-9-9 8:48:10??????點擊：
為了解決目前全方向蓄電池充電器無線充電后端監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)，通過發(fā)射側的信號采集，有效實現(xiàn)對負載位置的實時準確監(jiān)測；最后設計了實驗樣機，驗證了系統(tǒng)的可行性。
相對于有線充電，蓄電池充電器無線充電更便捷，安全性也更高。全方向蓄電池充電器無線充電是小功率蓄電池充電器無線充電領域的發(fā)展趨勢，也是目前企業(yè)界和學術界研究的熱點。
文獻[2]介紹了一種典型的蓄電池充電器無線充電模型，文獻[3-5]提出了優(yōu)化蓄電池充電器無線充電線圈的方法，文獻[6]提出了一種優(yōu)化補償網絡的方法，但均未對全方向蓄電池充電器無線充電進行具體的研究。文獻[7]利用旋轉發(fā)射磁場來實現(xiàn)全方向蓄電池充電器無線充電，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)壽命。
文獻[8]提出了采用兩個發(fā)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(xiàn)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。文獻[9]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。
文獻[10]通過遺傳算法實現(xiàn)了對負載與互感的識別，然而未對全方向進行深入分析。文獻[11]采用多個發(fā)射線圈切換，增加了發(fā)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。
麻省理工學院在文獻[12]提出了基于“波束成形”的全方向蓄電池充電器無線充電控制算法，通過調整6個平放的平面螺旋形發(fā)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(jiān)測需要接收側與發(fā)射側進行無線通信，因此增加了系統(tǒng)控制的復雜度，并且無線通信的損耗也影響了系統(tǒng)效率，不適用于小功率的蓄電池充電器無線充電系統(tǒng)。
香港大學許樹源團隊成果頗豐，在文獻[13-16]中提出了三維正交線圈結構，采用分時復用，調整發(fā)射線圈中的電流幅值相位來監(jiān)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(jiān)測。
文獻[17]提出了一種負載和互感的前端監(jiān)測系統(tǒng)，但是要求采用發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)的補償方式，并且不能工作在諧振頻率附近，使得系統(tǒng)輸出功率大大降低。
本文針對上述現(xiàn)狀，在對全方向蓄電池充電器無線充電系統(tǒng)進行綜合分析的基礎上，采用了一種根據(jù)負載位置自適應選通發(fā)射線圈，通過判定每個發(fā)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(jié)闡述：第1節(jié)提出了一種全方向蓄電池充電器無線充電線圈方案，并對發(fā)射線圈組和接收線圈進行建模分析，計算了不同發(fā)射線圈對接收線圈的互感；第2節(jié)根據(jù)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(jié)提出了基于MPPT的負載位置前端監(jiān)測系統(tǒng)，僅通過監(jiān)測發(fā)射側電流的幅值即可判斷負載位置，并導通相應發(fā)射線圈；第4節(jié)制作了實驗樣機，測試效果良好。
圖7 前端控制電路圖
圖8 前端控制流程圖
總結
本文針對目前全方向蓄電池充電器無線充電后端監(jiān)測方式的局限性，構建了基于MPPT的前端監(jiān)測控制系統(tǒng)。首先監(jiān)測不同發(fā)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(xiàn)最大功率輸出的線圈；最后通過實驗驗證了該前端監(jiān)測控制系統(tǒng)的可行性。
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(jiān)測系統(tǒng)，通過發(fā)射側的信號采集，有效實現(xiàn)對負載位置的實時準確監(jiān)測；最后設計了實驗樣機，驗證了系統(tǒng)的可行性。
相對于有線充電，蓄電池充電器無線充電更便捷，安全性也更高。全方向蓄電池充電器無線充電是小功率蓄電池充電器無線充電領域的發(fā)展趨勢，也是目前企業(yè)界和學術界研究的熱點。
文獻[2]介紹了一種典型的蓄電池充電器無線充電模型，文獻[3-5]提出了優(yōu)化蓄電池充電器無線充電線圈的方法，文獻[6]提出了一種優(yōu)化補償網絡的方法，但均未對全方向蓄電池充電器無線充電進行具體的研究。文獻[7]利用旋轉發(fā)射磁場來實現(xiàn)全方向蓄電池充電器無線充電，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)壽命。
文獻[8]提出了采用兩個發(fā)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(xiàn)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。文獻[9]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。
文獻[10]通過遺傳算法實現(xiàn)了對負載與互感的識別，然而未對全方向進行深入分析。文獻[11]采用多個發(fā)射線圈切換，增加了發(fā)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。
麻省理工學院在文獻[12]提出了基于“波束成形”的全方向蓄電池充電器無線充電控制算法，通過調整6個平放的平面螺旋形發(fā)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(jiān)測需要接收側與發(fā)射側進行無線通信，因此增加了系統(tǒng)控制的復雜度，并且無線通信的損耗也影響了系統(tǒng)效率，不適用于小功率的蓄電池充電器無線充電系統(tǒng)。
香港大學許樹源團隊成果頗豐，在文獻[13-16]中提出了三維正交線圈結構，采用分時復用，調整發(fā)射線圈中的電流幅值相位來監(jiān)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(jiān)測。
文獻[17]提出了一種負載和互感的前端監(jiān)測系統(tǒng)，但是要求采用發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)的補償方式，并且不能工作在諧振頻率附近，使得系統(tǒng)輸出功率大大降低。
本文針對上述現(xiàn)狀，在對全方向蓄電池充電器無線充電系統(tǒng)進行綜合分析的基礎上，采用了一種根據(jù)負載位置自適應選通發(fā)射線圈，通過判定每個發(fā)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(jié)闡述：第1節(jié)提出了一種全方向蓄電池充電器無線充電線圈方案，并對發(fā)射線圈組和接收線圈進行建模分析，計算了不同發(fā)射線圈對接收線圈的互感；第2節(jié)根據(jù)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(jié)提出了基于MPPT的負載位置前端監(jiān)測系統(tǒng)，僅通過監(jiān)測發(fā)射側電流的幅值即可判斷負載位置，并導通相應發(fā)射線圈；第4節(jié)制作了實驗樣機，測試效果良好。
圖7 前端控制電路圖
圖8 前端控制流程圖
總結
本文針對目前全方向蓄電池充電器無線充電后端監(jiān)測方式的局限性，構建了基于MPPT的前端監(jiān)測控制系統(tǒng)。首先監(jiān)測不同發(fā)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(xiàn)最大功率輸出的線圈；最后通過實驗驗證了該前端監(jiān)測控制系統(tǒng)的可行性。
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