非接觸通用供電平臺多負載解諧控制方法研究

0 引 言
ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)供電系統(tǒng)作為一種新型的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，以非接觸的感應耦合方式可以實現(xiàn)各種功率水平的電能傳輸。由于其供電端與用電設備相互分離，不存在摩擦與磨損，避免了諸如滑動磨損、接觸火花、碳積和導體不安全裸露等所帶來的安全隱患，越來越受到一些易燃、易爆的化工、采礦等行業(yè)的青睞，也為新型非接觸充電設備的設計提供了廣闊的發(fā)展前景。目前已有電動汽車非接觸充電、煤礦有軌運輸車、個人剃須刀、人體醫(yī)學植入等成功應用的報道，且大多集中在針對單個負載情況下系統(tǒng)的電路設計，原副邊的補償結構，系統(tǒng)的諧振頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定等問題展開研究，本文以非接觸通用供電平臺為例研究多負載情況下系統(tǒng)的功率控制問題。
所謂非接觸通用供電平臺，是指通過一個平板以放置的方式向諸如手提電腦、臺燈、手機、CD機、MP3播放器、電子詞典等用電器單個或同時多個供電的裝置。由于供電的非接觸特性和放置負載的靈活性，有著廣闊的應用前景。本文基于非接觸通用供電平臺多負載情況下的拓撲結構，建立數學模型并分析單個負載存在突然變動或者負載變動較大，可能帶來整個系統(tǒng)崩潰的嚴重后果，提出一種自維持的動態(tài)解諧功率流量控制方法。其基本原理就是：根據負載對功率流量要求的變化，自動地改變拾取端電感或電容的值，使電路脫離諧振狀態(tài)，調整負載端的輸出電壓。當單個或其中某幾個負載突然出現(xiàn)重載或輕載時，系統(tǒng)能夠自動對該負載解諧，而當該負載恢復正常狀況時，又能夠使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，且又不需要外部控制電路來實現(xiàn)。自維持的動態(tài)解諧控制與傳統(tǒng)的控制方法如開關短路控制、線性調整器控制等相比有幾個非常突出的優(yōu)點：
(1)比傳統(tǒng)的拾取端控制方法的效率更高。主要是因為該控制方法能夠智能的實時控制流入負載的功率流量。在開關短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動態(tài)解諧控制能夠根據需要的大小自動地調整流入負載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿足負載的需要。
(2)能夠適應運行頻率的小幅波動。傳統(tǒng)的拾取側控制方法假定拾取側的工作頻率等于原邊的運行頻率，同時也假定該系統(tǒng)運行是不分叉的，也就是不會出現(xiàn)多值現(xiàn)象。但實際當中，分叉現(xiàn)象的出現(xiàn)與頻率波動有很大關系。但動態(tài)解諧控制不會受系統(tǒng)頻率較小波動影響，它的解諧點能夠隨著運行頻率的波動做同向的移動。
(3)改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統(tǒng)應用當中，動態(tài)解諧控制能夠把功率根據負載的需要大小合理分配，額外的功率同時又可以供電平臺上的其他用電器供電，從而降低了原邊上的功率要求。動態(tài)解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動或者負載變動較大的設備。
(4)不需要額外的電壓調整器。動態(tài)解諧控制能夠把負載上的輸出調整到一個期望的水平等級，也就省去了額外的電壓調整過程。此外，比線性的電壓調整器又具有更大的靈活性，可以比較方便地設定電壓輸出值的大小。

1 典型的非接觸通用供電平臺
基本的電流饋送并聯(lián)諧振型非接觸通用供電平臺如圖1所示。由直流電感Ld、分裂電感Lsp與兩個MOS開關器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅動一個由原邊電容C1、電感L1組成的并聯(lián)諧振電路；n個L2，C2構成的并聯(lián)諧振電路，組成向等效負載RLn傳輸功率的拾取電路(pick up)，n為負載的個數。

以單個負載為例進行分析，拾取端開路電壓為VOC，M為原副邊的互感，I1為原邊線圈上的電流，則有：

為了便于對電路進行分析，根據等效原則對拾取側進行串并轉換，將與所構成的并聯(lián)電路轉換成電阻Rs與電容Cs的串聯(lián)，則有：