孫 躍 蔣 成 王智慧 戴 欣

（1.重慶大學(xué)自動化學(xué)院 重慶 400044 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

感應(yīng)電能傳輸技術(shù)（Inductive Power Transfer），簡稱IPT技術(shù)，是一種通過電磁耦合以非接觸式方式向負載傳遞能量的一項新技術(shù)。感應(yīng)耦合電能傳輸過程為：利用諧振變換器將直流電變換為高頻交流電，注入原邊能量發(fā)射線圈（或?qū)к壘€圈），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，該線圈在附近將激發(fā)出相同頻率的交變磁場，然后處于該磁場中的副邊能量接收線圈上將感應(yīng)出電壓，該電壓經(jīng)功率調(diào)節(jié)后輸出給用電設(shè)備，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。當(dāng)系統(tǒng)有異物（尤其是金屬）進入工作范圍時，由于高頻磁場的存在必定會在金屬內(nèi)形成渦流，不僅降低了效率，而且金屬的渦流發(fā)熱還將給系統(tǒng)帶來巨大的安全隱患。

在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)（IPT）系統(tǒng)中，現(xiàn)有的負載識別方法主要是通過RFID技術(shù)來實現(xiàn)[1,2]。該方法是在合法負載上添加 RFID標(biāo)簽，當(dāng)系統(tǒng)沒有檢測到RFID信號時逆變器停止工作，即IPT系統(tǒng)停止工作。然而，IPT系統(tǒng)在能量傳輸過程中存在的高頻磁場將會對 RFID反饋信號造成干擾，這就可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的誤讀誤判，降低了負載識別的正確率。因此，本文提出了一種高識別率的非法負載檢測的方法，本方法是將負載識別信號調(diào)制到系統(tǒng)原邊輸入電流上，在原邊對識別信號解調(diào)后，實現(xiàn)了負載辨識。這種方法的主要優(yōu)點在于，負載辨識信號不需要通過額外的耦合線圈傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中的干擾，提高了識別率。

2 電流型IPT系統(tǒng)拓撲

IPT系統(tǒng)拓撲根據(jù)原邊和副邊諧振方式的不同可以分為PP、PS、SP、SS型四種基本類型。本文以PS型拓撲結(jié)構(gòu)為例，研究其非法負載檢測方法。PS型IPT系統(tǒng)的電路拓撲如圖1所示。

圖1 PS型IPT系統(tǒng)拓撲Fig.1 Parallel-series resonant topology of IPT system

PS型拓撲結(jié)構(gòu)分為原邊和副邊兩大部分。在原邊部分，直流電源Edc與直流電感Ldc一起構(gòu)成準(zhǔn)電流源[3]。S1-S44個 IGBT開關(guān)構(gòu)成全橋逆變網(wǎng)絡(luò)，所形成的2個開關(guān)對（S1，S4）和（S2，S3），以互補的形式產(chǎn)生方波逆變輸出。能量發(fā)射線圈 Lp和諧振電容 Cp構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)具有短路保護可靠性高的特點。在副邊部分，能量拾取線圈Ls和諧振電容Cs構(gòu)成接收諧振網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)過整流和濾波后向負載RL供電。

3 非法負載識別

3.1 原邊輸入電流和負載的關(guān)系分析

在IPT系統(tǒng)中，副邊對原邊部分的耦合作用直接體現(xiàn)為副邊反射回原邊的反射阻抗，該反射阻抗直接作用于系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振參數(shù)發(fā)生漂移[4]。因此，對反射阻抗的識別就顯得很重要。

反射阻抗Zr由無功部分jωLr和有功部分Rr組成：

其中，有功部分Rr上消耗的功率即為副邊在原邊部分中產(chǎn)生的耗散功率，而其無功部分jωLr產(chǎn)生能量的儲存或釋放，不產(chǎn)生能量的耗散[5,6]。

定義系統(tǒng)的供給函數(shù)S(Edc,Idc)為系統(tǒng)的輸入能量，可表示為[7]：

定義系統(tǒng)的耗散函數(shù)W(i,R)為系統(tǒng)的耗散能量，可表示為[7]：

由能量平衡關(guān)系可知，系統(tǒng)的輸入能量等于系統(tǒng)的耗散能量，即：

對于副邊串聯(lián)諧振拓撲，副邊阻抗為：

因此副邊反射回原邊的反射阻抗為：

其中，R1為整流濾波加負載RL的等效電阻，可以近似表示為：

聯(lián)立式（5）和式（6）可得反射阻抗Zr的實部為：

為使系統(tǒng)傳輸功率最大化，則系統(tǒng)應(yīng)工作在副邊固有諧振頻率點上，即：

將式（9）帶入式（8），式（8）可寫成：

由于原邊電感的值一般為100uH到200uH，系統(tǒng)工作頻率一般為20K赫茲左右，且因為系統(tǒng)是松耦合系統(tǒng)，故耦合系數(shù)k一般為0.1到0.3之間，因此可得以下關(guān)系[8]：

由式（11）可知，當(dāng)輸入電壓Edc保持不變時，則可認為諧振電流為一個定值，其大小：

聯(lián)立式（2）、（3）、（4）、（10）和（12），可得：

化簡式（13）可得:

由上式可知，Edc，Rdc，Rp，W0，M，Rs，Lp都為已知量，因此可得輸入電流Idc和負載RL的關(guān)系。

為了直觀表示輸入電流Idc和負載RL的關(guān)系，取表 1所示諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，得到原邊輸入電流Idc隨負載RL變化的曲線如圖2所示。

表1 PS諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表Tab.1 Parameters table of parallel-series resonant network

圖2 原邊輸入電流和負載的關(guān)系Fig.2 The relationship of the primary input current and load

3.2 非法負載的識別方法

基于幅值調(diào)制ASK的思想，提出一種IPT系統(tǒng)非法負載檢測方法。該方法原理圖如圖3所示。通過預(yù)設(shè)一個頻率為f1的方波信號調(diào)制在副邊負載上，控制負載也以頻率f1進行通斷，當(dāng)系統(tǒng)初始化運行時，負載的通斷將會在原邊直流輸入電流上解調(diào)出一個接近于頻率為f1的方波，記該方波頻率為f2。當(dāng)系統(tǒng)在初始工作狀態(tài)時，通過檢測原邊輸入電流的方波頻率，與預(yù)設(shè)信號的頻率進行對比，當(dāng)原邊直流輸入電流的頻率檢測值與預(yù)設(shè)信號的頻率之差的絕對值小于或等于一個約為零的極小容限值時，則負載為合法負載，否則，即為非法負載。該方法的優(yōu)點在于負載辨識信號不需要額外的耦合線圈進行傳遞，而是直接在能量傳輸通道上傳遞，將負載辨識信號反映在原邊輸入電流上，避免了傳遞中磁場的干擾，提高了識別率。

圖3 IPT系統(tǒng)非法負載檢測原理圖Fig.3 The schematic diagram of illegal load identifying of IPT system

系統(tǒng)非法負載識別的工作流程圖如圖4所示，其中ε為約為零的極小容限頻率值。

圖4 非法負載識別流程圖Fig.4 The flow diagram of illegal load identifying

4 仿真驗證

為了驗證識別模型的有效性，在Simulink環(huán)境中搭建了仿真模型進行驗證，負載RL取30Ω，系統(tǒng)其它參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖5，圖6，圖7所示。

圖5 頻率為500Hz時的波形Fig.5 The waveform when a frequency of 500Hz

圖6 頻率為100Hz時的波形Fig.6 The waveform when a frequency of 100Hz

圖7 頻率為10Hz的波形Fig.7 The waveform when a frequency of 10Hz

由圖5，圖6，圖7的分析可知，當(dāng)負載切換頻率過快（500Hz）時，由于電感中的電流不能突變，原邊輸入電流未呈方波波形；當(dāng)切換頻率減小時，頻率為100Hz時，原邊輸入電流呈現(xiàn)方波波形，但在過零點處存在較大的震蕩，易造成檢測的誤差；當(dāng)切換頻率為10Hz時，原邊輸入電流呈現(xiàn)和負載切換頻率一致的方波。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)降低負載切換頻率，以提高頻率檢測的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文給出了一種新型的IPT系統(tǒng)非法負載檢測方法，通過分析電流型 IPT系統(tǒng)的特性，得到了原邊輸入電流和負載成反比的關(guān)系，從而通過對負載進行通斷調(diào)制和原邊輸入電流的解調(diào)判斷負載的合法性。本文所設(shè)計的方法不需要負載辨識信號通過額外的耦合線圈進行傳遞，而是直接反映在原邊輸入電流上，避免了傳統(tǒng)方法傳遞中的干擾問題，提高了識別率。該方法普遍適用于傳統(tǒng)的IPT拓撲，但需要滿足輸入電壓和諧振電流恒定的條件，仿真結(jié)果驗證了該方法的可行性，對提高IPT系統(tǒng)的安全性具有一定的價值。

[1] 荊曉博,陳啟軍.基于 RFID技術(shù)的多負載無線供電系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007,4:44-45.

Jing Xiaobo,Chen Qijun.RFID based multi-load wireless powering system design[J].Modern Scientific Instruments,2007,4:44-45.

[2] 許旻.物聯(lián)網(wǎng)下 RFID的架構(gòu)及應(yīng)用分析[J].科技通報,2013,29(12):140-141.

Xu Min.The analysis of RFID architecture and application in internet of things[J].Bulletin of Science and Technology,2013,29(12):140-141.

[3] A P.Hu,J.T.Boys,G.A Covic.ZVS frequency analysis of a current-fed resonant converter.IEEE Power Electronics Conf,2000:217-221.

[4] Yun Sun,AP.Hu,Xin Dai Yugang Su.Discrete time mapping modeling and bifurcation phenomenon study of a ZVS converter.IEEE Power Conf,2004,pp:1015-1018.

[5] 戴欣,孫躍.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)能量注入控制方法研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2011,40(1):70-72.

Dai Xin,Sun Yue.Study on energy injection control method for inductive power transfer system[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2011,40(1):70-72

[6] Dai Xin,Sun Yue,Tang Chunsen,et al.Dynamic parameters identification method for inductively coupled power transfer system.IEEE Sustainable Energy Technologies Conf,2010,pp:1-5.

[7] 戴欣,孫躍,蘇玉剛,等.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)辨識與恒流控制[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2011,34(6):99-100.

Dai Xin,Sun Yue,Su Yugang,Wang zhihui,Tang Chunsen.Study on constant current control of inductive power transfer with parameter identification[J].Journal of Chongqing University,2011,34(6):99-100.

[8] Zhi-hui Wang,Xiao Lv,Yue Sun,Xin Dai,Yu-peng Li.A Simple Approach for Load Identification in Current-Fed Inductive Power Transfer System.IEEE Power System Technology Conf,2012,1-5.