如何實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電的負(fù)載位置
2019-9-9 8:48:10??????點(diǎn)擊：
為了解決目前全方向蓄電池充電器無(wú)線充電后端監(jiān)測(cè)模式控制復(fù)雜、損耗大的問(wèn)題，本文采用了一種錐形線圈排布方式，通過(guò)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(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了基于自適應(yīng)控制算法的負(fù)載位置前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射側(cè)的信號(hào)采集，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載位置的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；最后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。
相對(duì)于有線充電，蓄電池充電器無(wú)線充電更便捷，安全性也更高。全方向蓄電池充電器無(wú)線充電是小功率蓄電池充電器無(wú)線充電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，也是目前企業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。
文獻(xiàn)[2]介紹了一種典型的蓄電池充電器無(wú)線充電模型，文獻(xiàn)[3-5]提出了優(yōu)化蓄電池充電器無(wú)線充電線圈的方法，文獻(xiàn)[6]提出了一種優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法，但均未對(duì)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電進(jìn)行具體的研究。文獻(xiàn)[7]利用旋轉(zhuǎn)發(fā)射磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載的位置，但控制電機(jī)的引入無(wú)疑增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度，使體積和重量也均有所增加，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)壽命。
文獻(xiàn)[8]提出了采用兩個(gè)發(fā)射線圈正交的結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制線圈中的相位構(gòu)造旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方向，但未對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且二維線圈結(jié)構(gòu)自由度不高，使輸出功率和效率受限。文獻(xiàn)[9]在二維正交線圈基礎(chǔ)上提出了采用單一閉合線圈結(jié)構(gòu)，在XY平面內(nèi)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(xiàn)[10]通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載與互感的識(shí)別，然而未對(duì)全方向進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[11]采用多個(gè)發(fā)射線圈切換，增加了發(fā)射側(cè)的自由度，提高了平面內(nèi)的抗偏移能力，不過(guò)沒(méi)有驗(yàn)證在全方向上的傳輸效果。
麻省理工學(xué)院在文獻(xiàn)[12]提出了基于“波束成形”的全方向蓄電池充電器無(wú)線充電控制算法，通過(guò)調(diào)整6個(gè)平放的平面螺旋形發(fā)射線圈的電流幅值和相位來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載位置的變化，使磁場(chǎng)精準(zhǔn)定位，然而由于負(fù)載的監(jiān)測(cè)需要接收側(cè)與發(fā)射側(cè)進(jìn)行無(wú)線通信，因此增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，并且無(wú)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(wú)線充電系統(tǒng)。
香港大學(xué)許樹(shù)源團(tuán)隊(duì)成果頗豐，在文獻(xiàn)[13-16]中提出了三維正交線圈結(jié)構(gòu)，采用分時(shí)復(fù)用，調(diào)整發(fā)射線圈中的電流幅值相位來(lái)監(jiān)測(cè)負(fù)載和互感，但分時(shí)復(fù)用無(wú)疑降低了充電速度，同時(shí)對(duì)互感和負(fù)載還需要進(jìn)行后端監(jiān)測(cè)。
文獻(xiàn)[17]提出了一種負(fù)載和互感的前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是要求采用發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)的補(bǔ)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(duì)上述現(xiàn)狀，在對(duì)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，采用了一種根據(jù)負(fù)載位置自適應(yīng)選通發(fā)射線圈，通過(guò)判定每個(gè)發(fā)射線圈中的電流幅值大小即可準(zhǔn)確判斷負(fù)載位置，進(jìn)而導(dǎo)通相應(yīng)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(wú)線充電線圈方案，并對(duì)發(fā)射線圈組和接收線圈進(jìn)行建模分析，計(jì)算了不同發(fā)射線圈對(duì)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(fù)載位置前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)射側(cè)電流的幅值即可判斷負(fù)載位置，并導(dǎo)通相應(yīng)發(fā)射線圈；第4節(jié)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測(cè)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(jié)
本文針對(duì)目前全方向蓄電池充電器無(wú)線充電后端監(jiān)測(cè)方式的局限性，構(gòu)建了基于MPPT的前端監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。首先監(jiān)測(cè)不同發(fā)射線圈的電流幅值；接著判定電流幅值大小，通過(guò)自適應(yīng)算法選通能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出的線圈；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該前端監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的可行性。
在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了基于自適應(yīng)控制算法的負(fù)載位置前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射側(cè)的信號(hào)采集，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載位置的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；最后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。
相對(duì)于有線充電，蓄電池充電器無(wú)線充電更便捷，安全性也更高。全方向蓄電池充電器無(wú)線充電是小功率蓄電池充電器無(wú)線充電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，也是目前企業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。
文獻(xiàn)[2]介紹了一種典型的蓄電池充電器無(wú)線充電模型，文獻(xiàn)[3-5]提出了優(yōu)化蓄電池充電器無(wú)線充電線圈的方法，文獻(xiàn)[6]提出了一種優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法，但均未對(duì)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電進(jìn)行具體的研究。文獻(xiàn)[7]利用旋轉(zhuǎn)發(fā)射磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載的位置，但控制電機(jī)的引入無(wú)疑增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度，使體積和重量也均有所增加，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)壽命。
文獻(xiàn)[8]提出了采用兩個(gè)發(fā)射線圈正交的結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制線圈中的相位構(gòu)造旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方向，但未對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且二維線圈結(jié)構(gòu)自由度不高，使輸出功率和效率受限。文獻(xiàn)[9]在二維正交線圈基礎(chǔ)上提出了采用單一閉合線圈結(jié)構(gòu)，在XY平面內(nèi)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(xiàn)[10]通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載與互感的識(shí)別，然而未對(duì)全方向進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[11]采用多個(gè)發(fā)射線圈切換，增加了發(fā)射側(cè)的自由度，提高了平面內(nèi)的抗偏移能力，不過(guò)沒(méi)有驗(yàn)證在全方向上的傳輸效果。
麻省理工學(xué)院在文獻(xiàn)[12]提出了基于“波束成形”的全方向蓄電池充電器無(wú)線充電控制算法，通過(guò)調(diào)整6個(gè)平放的平面螺旋形發(fā)射線圈的電流幅值和相位來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載位置的變化，使磁場(chǎng)精準(zhǔn)定位，然而由于負(fù)載的監(jiān)測(cè)需要接收側(cè)與發(fā)射側(cè)進(jìn)行無(wú)線通信，因此增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，并且無(wú)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(wú)線充電系統(tǒng)。
香港大學(xué)許樹(shù)源團(tuán)隊(duì)成果頗豐，在文獻(xiàn)[13-16]中提出了三維正交線圈結(jié)構(gòu)，采用分時(shí)復(fù)用，調(diào)整發(fā)射線圈中的電流幅值相位來(lái)監(jiān)測(cè)負(fù)載和互感，但分時(shí)復(fù)用無(wú)疑降低了充電速度，同時(shí)對(duì)互感和負(fù)載還需要進(jìn)行后端監(jiān)測(cè)。
文獻(xiàn)[17]提出了一種負(fù)載和互感的前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是要求采用發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)的補(bǔ)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(duì)上述現(xiàn)狀，在對(duì)全方向蓄電池充電器無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，采用了一種根據(jù)負(fù)載位置自適應(yīng)選通發(fā)射線圈，通過(guò)判定每個(gè)發(fā)射線圈中的電流幅值大小即可準(zhǔn)確判斷負(fù)載位置，進(jìn)而導(dǎo)通相應(yīng)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(wú)線充電線圈方案，并對(duì)發(fā)射線圈組和接收線圈進(jìn)行建模分析，計(jì)算了不同發(fā)射線圈對(duì)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(fù)載位置前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)射側(cè)電流的幅值即可判斷負(fù)載位置，并導(dǎo)通相應(yīng)發(fā)射線圈；第4節(jié)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測(cè)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(jié)
本文針對(duì)目前全方向蓄電池充電器無(wú)線充電后端監(jiān)測(cè)方式的局限性，構(gòu)建了基于MPPT的前端監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。首先監(jiān)測(cè)不同發(fā)射線圈的電流幅值；接著判定電流幅值大小，通過(guò)自適應(yīng)算法選通能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出的線圈；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該前端監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的可行性。
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