朱爾果

(上海外國(guó)語大學(xué)賢達(dá)經(jīng)濟(jì)人文學(xué)院,上海 200083)

近年來,電動(dòng)汽車、電動(dòng)無人機(jī)等設(shè)備逐漸普及,增大了人們對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備無線充電的需求,相關(guān)充電方式的研究越來越深入。沈錦飛編著的《磁共振無線充電應(yīng)用技術(shù)》一書聚焦于儲(chǔ)能設(shè)備的無線充電技術(shù)研究,首先,簡(jiǎn)要介紹儲(chǔ)能設(shè)備的無線充電技術(shù)及應(yīng)用;其次,給出電磁共振式無線充電系統(tǒng)的組成、工作原理、相關(guān)補(bǔ)償電路等內(nèi)容;然后,介紹電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí),包括儲(chǔ)能設(shè)備的分類、充電控制方法等,并列舉幾種常見的無線充電控制系統(tǒng),對(duì)原理、功能進(jìn)行詳細(xì)剖析;最后,詳述單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)、三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、電路組成及工作原理,并給出具體示例。

1 無線充電技術(shù)

無線充電是指電能在負(fù)載和電源之間不經(jīng)過電氣直接接觸而發(fā)生能量傳輸?shù)募夹g(shù)。無線充電可避免儲(chǔ)能設(shè)備因接觸而導(dǎo)致的磨損,減少設(shè)備線纜的束縛。目前,無線充電方式主要有兩種:①電磁感應(yīng)式,傳輸距離較短、耦合系數(shù)較低,使用范圍受限;②電磁共振式,根據(jù)頻率共振原理實(shí)現(xiàn)無線充電,輻射小、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率高,應(yīng)用范圍較廣。一些電動(dòng)客車、電動(dòng)公交車中配備的超級(jí)電容器,利用無線充電技術(shù),可根據(jù)站與站之間的距離設(shè)置儲(chǔ)能的容量,在車輛進(jìn)站停靠時(shí),進(jìn)行快速無線充電。對(duì)于電動(dòng)引導(dǎo)車,可利用超級(jí)電容器儲(chǔ)能設(shè)備質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)頻繁無線充電,減輕車輛的整體質(zhì)量,提高性能并降低成本。對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行無線充電,能使設(shè)備金屬接頭免受腐蝕,提高設(shè)備的靈活性,擴(kuò)大工作區(qū)域,提高供電效率。此外,無線充電還廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電視等家用電器上,均取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

2 儲(chǔ)能設(shè)備無線充電系統(tǒng)

電磁共振式無線充電系統(tǒng)主要由發(fā)射側(cè)/接收側(cè)電能變換電路、補(bǔ)償電路和發(fā)射接收線圈等組成,通過電磁共振實(shí)現(xiàn)無線充電。發(fā)射側(cè)電能變換電路通常由電壓/電流逆變器等構(gòu)成,可將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電;接收側(cè)電能變換電路可實(shí)現(xiàn)整流、濾波、斬波等功能,將高頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電,滿足儲(chǔ)能設(shè)備充電的需求。該系統(tǒng)的主要功能是將輸入的交流電經(jīng)過處理,利用無線傳輸電路將電能輸送到儲(chǔ)能設(shè)備。在整個(gè)能量傳輸過程中,要根據(jù)設(shè)備的特性實(shí)現(xiàn)充電控制。通常來說,儲(chǔ)能設(shè)備包括超級(jí)電容器、鉛酸電池、鋰離子電池等,為了精確控制電壓電流,要為無線充電系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的控制策略。如為了維持電壓電流的穩(wěn)定,可設(shè)置電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng),通過電壓電流的濾波調(diào)節(jié)及能量的變換,輸出目標(biāo)參數(shù)。在電磁共振式無線充電系統(tǒng)中,發(fā)射線圈、接收線圈、發(fā)射側(cè)/接收側(cè)補(bǔ)償電路共同組成磁耦合諧振器。磁耦合諧振器包括發(fā)射側(cè)諧振回路和接收側(cè)諧振回路,實(shí)際上是一個(gè)耦合系統(tǒng)。影響該系統(tǒng)傳輸特性的因素有:①距離,當(dāng)傳輸距離不斷增加時(shí),系統(tǒng)的頻率分裂現(xiàn)象會(huì)逐漸消失,傳輸效率和儲(chǔ)能接收效率逐漸降低,可通過提升諧振頻率等方法彌補(bǔ)這一不足;②傳輸頻率,當(dāng)系統(tǒng)的傳輸頻率和磁耦合諧振器的諧振頻率相同時(shí),達(dá)到共振狀態(tài),此時(shí)能量的傳輸效率最高,因此,應(yīng)保證兩種頻率盡量接近;③效率,通常情況下,增大線圈互感、減小線圈內(nèi)阻、提高諧振器共振頻率等,都是提高系統(tǒng)傳輸效率的有效方法,但共振頻率不宜過高,否則會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)阻增大,影響系統(tǒng)傳輸性能。

電磁共振式無線充電實(shí)際上是使兩個(gè)不同傳輸線圈的諧振頻率保持相同,以進(jìn)行能量傳輸,因此傳輸線圈的設(shè)計(jì)尤為重要。要根據(jù)使用場(chǎng)景的不同,選擇合適的傳輸線圈類型:當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí),盡量選擇圓柱形螺旋線圈;若想要傳輸線圈的體積更小,傳輸磁場(chǎng)能量更大,可選擇矩形平面螺旋線圈;可在傳輸線圈正面添加環(huán)氧板保護(hù)層,減少電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散的幅度,提高線圈的磁通耦合度;為減小電磁輻射對(duì)人體的危害,可在線圈外部增加鋁制防護(hù)罩,屏蔽磁場(chǎng)。在充電過程中,有很多電能消耗在線圈的阻抗上,為了提高電能傳輸效率,應(yīng)設(shè)法減小線圈的阻抗。通常采用增加補(bǔ)償電路的方式,即在原有傳輸線圈電感(L)的基礎(chǔ)上,增加補(bǔ)償電容(C),形成串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償電路。常見的補(bǔ)償電路形式有串-串聯(lián)諧振電路、串-并聯(lián)諧振電路、并-并聯(lián)諧振電路、并-串聯(lián)諧振電路、LCL-LCL諧振電路、LCC-LCC諧振電路等。在各種補(bǔ)償電路中,補(bǔ)償電容均在諧振狀態(tài)工作,主要功能是實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)增壓。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)所需的電壓、容量及熱穩(wěn)定性、耐高溫高壓等特性,來選擇補(bǔ)償電容。

3 無線充電控制系統(tǒng)

3.1 電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)

實(shí)際上,電磁共振式無線充電系統(tǒng)充電是對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的充電。要選擇合適的電流,電流過大或過小都會(huì)對(duì)充電效率產(chǎn)生影響。儲(chǔ)能設(shè)備的充電方法很多,包括但不限于恒壓、恒流、脈沖和分階段充電等,但總體而言,控制方式可分為電壓控制和電流控制兩種。該書給出了幾種常用的電磁共振式無線充電控制系統(tǒng)。電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)由輸出電壓或電流、調(diào)節(jié)器、諧振器和變換濾波電路等組成,目的是維持電壓電流的穩(wěn)定,為正常充電創(chuàng)造有利條件。該系統(tǒng)以放大器、驅(qū)動(dòng)電路、逆變器、諧振器、濾波整流電路、采樣電路、信號(hào)傳輸和處理電路、儲(chǔ)能設(shè)備等為基礎(chǔ),建立電壓負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng),通過恒壓控制方式給儲(chǔ)能設(shè)備充電。充電時(shí),還需進(jìn)行電流控制,以電流放大器、驅(qū)動(dòng)電路、逆變器、諧振器、整流電路、電流采樣電路和信號(hào)傳輸電路等為基礎(chǔ),建立電流負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)可控制儲(chǔ)能設(shè)備充電時(shí)的電壓和電流,但未綜合考慮逆變電流的突變引起的充電系統(tǒng)故障。在電壓電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,該書提出了增加逆變電流閉環(huán)電路,組成逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),將控制逆變電流在極限值以內(nèi),降低因逆變電流引起的充電故障概率。

在逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中,輸出的電壓和電流以無線通信方式進(jìn)行反饋。電壓、電流的反饋延時(shí)越大,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致充電過程存在不穩(wěn)定性,影響儲(chǔ)能設(shè)備的充電效率。為解決此問題,該書提出以逆變電流和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),將接收端的充電電壓和電流分開單獨(dú)控制,建立兩個(gè)互不干擾的閉環(huán)控制系統(tǒng),即傳輸和輸出電壓雙獨(dú)立單閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由放大器、驅(qū)動(dòng)電路、逆變器、諧振器、采樣電路、信號(hào)傳輸和處理電路、高頻整流器、斬波電路和儲(chǔ)能設(shè)備等組成,可提高充電回路中電壓和電流的精度,最終提升儲(chǔ)能設(shè)備的充電效率。

3.2 單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)

通常情況下,當(dāng)用電設(shè)備的總?cè)萘吭?0 kW以下時(shí),可以利用220 V低壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娮鳛檩斎雭砉╇?。輸入的交流電流中通常伴隨著諧波電流,使電網(wǎng)電流受到干擾,繼而影響電網(wǎng)電壓,生成電磁干擾。為降低諧波電流的影響,該書提出在傳統(tǒng)的單相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加功率因數(shù)校正電路(PFC),并利用二極管+增強(qiáng)(Boost)-脈沖寬度調(diào)制(PWM)斬波控制的方式,控制輸入電流的波形。該斬波控制電磁共振式無線充電系統(tǒng)由PFC、諧振回路、斬波電路和整流電路等組成,將輸入的220 V交流電經(jīng)過整流、校正、電容濾波,變?yōu)橹绷麟?再通過斬波電路、全橋逆變電路處理,形成高頻方波電壓,利用電能發(fā)送、接收諧振回路,通過高頻整流濾波電路處理后輸出直流電,接入儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電。在整個(gè)過程中,直流電壓利用PWM脈寬調(diào)制方式進(jìn)行控制,當(dāng)PWM的脈寬處于零位置時(shí),諧振回路的儲(chǔ)能會(huì)經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)至直流側(cè)。

3.3 三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)

在日常生產(chǎn)生活中,當(dāng)用電設(shè)備的容量在10 kW以上時(shí),必須接入三相交流電來供電。由于使用場(chǎng)合的不同,基于三相交流電的電磁共振無線充電系統(tǒng)的組成和功能也有所差別。該書給出了幾種典型的三相交流電無線充電系統(tǒng)。如三相輸入全橋逆變無線充電系統(tǒng),以3個(gè)單相220 V交流電作為輸入,經(jīng)過整流和校正后,變?yōu)?80 V直流電,再通過全橋逆變電路及高頻變壓器,形成三路并聯(lián)輸入、一路串聯(lián)輸出,經(jīng)過電能發(fā)送、接收諧振回路,通過高頻整流濾波電路處理后,輸出直流電,接入儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電。在儲(chǔ)能設(shè)備充電過程中,采樣電路對(duì)電壓電流執(zhí)行比例-積分-微分(PID)運(yùn)算,并將PID控制信號(hào)發(fā)送至發(fā)射側(cè)通信電路,經(jīng)由數(shù)字信號(hào)(DSP)處理控制電路和移相PWM控制電路處理,得到輸出信號(hào),再利用全橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備充電的閉環(huán)控制?；谝陨侠碚?該書給出了具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例。設(shè)置3個(gè)單相交流電(180～264 V/50 Hz),系統(tǒng)的額定充電功率、電壓、電流分別為21 kW、350 V、60 A,額定工作效率＞90%,負(fù)載為儲(chǔ)能電池。經(jīng)過計(jì)算可知,所用線圈的電感為0.343 mH,補(bǔ)償電容大小為10.2 nF,整流二極管能承受的最大電壓和電流至少為600 V、60 A。除了三相輸入全橋逆變無線充電系統(tǒng)外,該書還將無源濾波器、有源濾波器加入三相無線充電系統(tǒng)中,利用濾波器對(duì)輸入電壓和電流進(jìn)行處理,并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓,再經(jīng)過高頻濾波、整流等一系列步驟,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備的充電。

4 結(jié)語

《磁共振無線充電應(yīng)用技術(shù)》一書理論聯(lián)系實(shí)際,介紹了儲(chǔ)能設(shè)備的無線充電技術(shù),詳述了電磁共振式無線充電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的組成、電路原理及功能,給出了儲(chǔ)能設(shè)備的分類和充電控制方法,對(duì)單相供電、三相供電電磁共振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、電路組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并列舉了實(shí)際案例加以驗(yàn)證。該書內(nèi)容通俗易懂,邏輯清晰,可供從事儲(chǔ)能設(shè)備無線充電、電能傳輸?shù)目蒲腥藛T及高校師生參考。

書名:磁共振無線充電應(yīng)用技術(shù)

作者:沈錦飛 編著

ISBN:9787111640554

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2020-01-01

定價(jià):￥79.00元