磁耦合谐振式电能传输系统的功率输出特性分析及其最大功率点追踪

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1、磁耦合谐振式电能传输系统的功率输出特性分析及其最大功率点追踪李森涛，樊绍胜，李富林，蒋大玉（长沙理工大学，湖南长沙410004）摘要：为分析与优化磁耦合谐振式无线电能传输系统的输出功率，对磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率输出特性进行分析与试验，并提出一种简化的系统模型，以方便设计者分析或确定磁共振式无线电能传输系统的参数。另外为解决原始系统输出功率随线圈相对位置而急剧变化，在此根据磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率输出特性提出了一种可行的最大功率点追踪（MPPT）方法以稳定系统的输出功率，使得负载能够在宽距离范围内实现功率最大化。.jyqkax与耦合系数k的关系如图4所示。图4

2、中定值电阻仅能够在一个确定的耦合系数下趋近最大输出功率Pmax。而在其他耦合系数下负载所获得的功率都会产生明显降低而无法达到系统所能够提供的最大输出功率Pmax，因此在磁耦合谐振式无线电能传输系统中定值负载仅能够在接收与发射线圈处于某个距离和位置上才能获得最大功率，由于无线供电系统的灵活性，很多发射线圈与接收线圈的距离和位置是不定的，这就导致负载仅能够在一个相对较小的空间范围内获得充足的功率，而一旦脱离这个区域功率就会迅速下降。这在电机驱动，照明，电池充电等对功率要求较高的设备上尤为致命。为了解决此问题可以设计一个最大功率点追踪电路追踪最优阻抗，在系统最大容量Pmax允许的范围内

3、保证负载能够稳定接收到足够大的功率。2MPPT电路设计2.1功率硬件部分设计MPPT可以由可控的直流侧阻抗变换来实现。即利用可控DC-DC电路进行负载的阻抗变换。其功率部分选用的SEPIC型DC-DC电路拓扑，使用电压电流传感器检测负载功率。MCU使用爬坡算法来追踪最大功率点。一种MPPT方案如图5所示。SEPIC电路是升降压型DC-DC电路，其输出电压Uout与占空比有关：则SEPIC电路对负载电阻进行了阻抗变换，变换后的阻抗Re为：由式（5）可知，通过MCU控制SEPIC电路中MOS-FET的导通和关断就可以对负载进行阻抗变换，以保持变换后的阻抗Re能够接近系统的内阻。具体设

4、计时MCU通过电压、电流传感器获得负载当前功率，然后通过调整SEPIC电路占空比来控制MOSFET动态追踪当前的最大功率点。2.2软件部分设计由图4可以得出，在一个确定的耦合系数k下，有且仅有一个负载电阻值能够使功率最大化，阻值偏大或偏小都会导致功率减小，因此可以基于此思路设计MCU的追踪算法流程图如图6所示。3实验及结果试验采用400kHz频率的磁耦合谐振式无线电能传输系统，发射与接收线圈直径为24cm的圆形铜管，使用10Ω定值电阻作为负载电阻Rload进行试验，记录6个不同距离点下负载端的功率，然后加入MPPT环节再次进行试验，记录相同距离点的负载端功率。实验装置如图7所示。

5、根据圆形线圈磁通量计算公式将距离换算为耦合系数，则原负载上获得的功率PR与加入MPPT环节后获得的功率PMPPT的实验数据如图8所示。4结语实验数据表明，加入此MPPT方案的无线电能传输系统能够在较宽的范围内使负载能够获得较高的功率，而原系统仅能够在某一段相对较窄的距离上获取峰值功率，虽然由于SEPIC电路所产生的开关电能损耗，导致实际测量值与理论值有少量差距。然而加入MPPT环节依然能够使负载在较大范围内获得的功率显著增加。.jyqkissionedicalimplant[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2014，61（5）

6、：2225-2235.[2]赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报，2013，33（3）：1-13.[3]NIBai-lian，CHUNGCY.Designandparisonofparallelandseriesresonanttopologyinviamagicresonantcoupling[C]//2011IEEE33rdInternationalTelemunica-tionsEnergyCon-ference.Amsterdam，Netherlands：IEEE，2011：1-5.[9]张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振

7、式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证[J].中国电机工程学报，2012，32（21）：153-158．[10]王智慧，孙跃，戴欣，等.CLC型非接触电能传输系统输出控制[J].西南交通大学学报，2012，47（1）：26-31．简介：李森涛（1990—），男，湖南长沙人，硕士研究生。研究方向为电力电子与运动控制。樊绍胜（1957—），男，硕士，教授，硕士生导师。主要研究方向为控制理论与控制工程、机器人控制。