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)供電系統作為一種新型的非接觸電能傳輸系統，以非接觸的感應耦合方式可以實(shí)現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(dòng)磨損、接觸火花、碳積和導體不安全裸露等所帶來(lái)的安全隱患，越來(lái)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(dòng)汽車(chē)非接觸充電、煤礦有軌運輸車(chē)、個(gè)人剃須刀、人體醫學(xué)植入等成功應用的報道，且大多集中在針對單個(gè)負載情況下系統的電路設計，原副邊的補償結構，系統的諧振頻率與系統穩定等問(wèn)題展開(kāi)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的功率控制問(wèn)題。
所謂非接觸通用供電平臺，是指通過(guò)一個(gè)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(gè)或同時(shí)多個(gè)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(zhù)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(xué)模型并分析單個(gè)負載存在突然變動(dòng)或者負載變動(dòng)較大，可能帶來(lái)整個(gè)系統崩潰的嚴重后果，提出一種自維持的動(dòng)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(dòng)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(gè)或其中某幾個(gè)負載突然出現重載或輕載時(shí)，系統能夠自動(dòng)對該負載解諧，而當該負載恢復正常狀況時(shí)，又能夠使系統工作于諧振狀態(tài)，且又不需要外部控制電路來(lái)實(shí)現。自維持的動(dòng)態(tài)解諧控制與傳統的控制方法如開(kāi)關(guān)短路控制、線(xiàn)性調整器控制等相比有幾個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)：
(1)比傳統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(shí)時(shí)控制流入負載的功率流量。在開(kāi)關(guān)短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動(dòng)態(tài)解諧控制能夠根據需要的大小自動(dòng)地調整流入負載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿(mǎn)足負載的需要。
(2)能夠適應運行頻率的小幅波動(dòng)。傳統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(shí)也假定該系統運行是不分叉的，也就是不會(huì )出現多值現象。但實(shí)際當中，分叉現象的出現與頻率波動(dòng)有很大關(guān)系。但動(dòng)態(tài)解諧控制不會(huì )受系統頻率較小波動(dòng)影響，它的解諧點(diǎn)能夠隨著(zhù)運行頻率的波動(dòng)做同向的移動(dòng)。
(3)改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統應用當中，動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動(dòng)或者負載變動(dòng)較大的設備。
(4)不需要額外的電壓調整器。動(dòng)態(tài)解諧控制能夠把負載上的輸出調整到一個(gè)期望的水平等級，也就省去了額外的電壓調整過(guò)程。此外，比線(xiàn)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(gè)MOS開(kāi)關(guān)器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅動(dòng)一個(gè)由原邊電容C1、電感L1組成的并聯(lián)諧振電路；n個(gè)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(gè)數。

以單個(gè)負載為例進(jìn)行分析，拾取端開(kāi)路電壓為VOC，M為原副邊的互感，I1為原邊線(xiàn)圈上的電流，則有：

為了便于對電路進(jìn)行分析，根據等效原則對拾取側進(jìn)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：