無(wú)線電能傳輸技術(shù)因其獨(dú)特的傳輸優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題，磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技術(shù)以其在近場(chǎng)區(qū)傳輸?shù)淖陨韮?yōu)勢(shì)成為當(dāng)前最為熱門的無(wú)線電能傳輸方式之一。

MCRWPT系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)耦合的復(fù)雜電磁系統(tǒng)，各參數(shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失諧，進(jìn)而影響系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率，因此對(duì)MCRWPT系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)研究是保證系統(tǒng)能夠以最優(yōu)傳輸效率傳遞較高功率的前提。

下面將從頻率跟蹤控制技術(shù)、自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)、恒功率輸出技術(shù)對(duì)MCRWPT系統(tǒng)能量高效傳輸、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制進(jìn)行分析概述。

自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)

高品質(zhì)因數(shù)諧振系統(tǒng)是提高M(jìn)CRWPT系統(tǒng)傳輸效率和傳輸功率的關(guān)鍵，但是高品質(zhì)因數(shù)諧振電路易受系統(tǒng)參數(shù)變化造成系統(tǒng)失諧。自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化引起的失諧進(jìn)行參數(shù)重新匹配，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)諧使系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)，保證系統(tǒng)的高效、大功率電能傳輸。

• 有學(xué)者提出一種基于相控電容的諧振電路調(diào)諧方法，通過(guò)設(shè)計(jì)相控電容調(diào)諧電路，計(jì)算電容相位與等效電容之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，等效形成可以連續(xù)變化的可變電容進(jìn)行調(diào)諧。
• 有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種相控電感電路，通過(guò)觸發(fā)延遲角的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)諧控制。
• 有學(xué)者提出一種利用小型步進(jìn)電機(jī)分別控制安裝在發(fā)射端和接收端的可調(diào)電感進(jìn)行調(diào)諧控制的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)諧電路和優(yōu)化算法進(jìn)行諧振參數(shù)匹配，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。
• 有學(xué)者采用電容陣列動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路對(duì)初級(jí)諧振電容進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)仍能工作在諧振狀態(tài)。
• 有學(xué)者提出一種基于諧波的移相閉環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了一種采用電流平均值進(jìn)行諧波電流檢測(cè)的方法，利用輸出電壓中的諧波含量參與諧振，提高了系統(tǒng)的傳輸效率。
• 有學(xué)者提出一種相控電感的無(wú)極調(diào)諧方法，該方法可實(shí)時(shí)改變諧振電感的等效值，使諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率等于系統(tǒng)的工作頻率，保證系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)。

自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)能夠通過(guò)自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)保證系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)下。通過(guò)改變電感和電容大小的方法使系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)是調(diào)諧的重要手段，但是電感、電容的調(diào)節(jié)是一個(gè)被動(dòng)的過(guò)程，通過(guò)增加一些控制手段實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制才能保證調(diào)諧的連續(xù)性。

自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)能夠有效地提升MCRWPT系統(tǒng)的傳輸效率和最大傳輸功率。自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)是促進(jìn)MCRWPT技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景使用相應(yīng)的調(diào)諧技術(shù)能夠促進(jìn)MCRWPT系統(tǒng)在不同領(lǐng)域和各種場(chǎng)景下高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

頻率跟蹤控制技術(shù)

MCRWPT系統(tǒng)依靠高頻工作實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸，一般工作頻率在kHz～MHz范圍內(nèi)，系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率對(duì)工作頻率的變化非常敏感。因此，通過(guò)頻率跟蹤和控制技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作頻率變化，從而保證系統(tǒng)發(fā)射端輸出頻率，接收端接收頻率和諧振頻率始終保持一致，從而有效地提高系統(tǒng)的工作效率和傳輸功率，頻率跟蹤技術(shù)其實(shí)也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧的一個(gè)手段。

MCRWPT系統(tǒng)在不同耦合條件下會(huì)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的下降。系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下電壓和電流處于同相位，通過(guò)對(duì)發(fā)射端或接收端電流頻率采樣、檢測(cè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率跟蹤。

對(duì)發(fā)射端電流頻率跟蹤可以直接檢測(cè)發(fā)射端電流信號(hào)相位并將其與電壓信號(hào)相位對(duì)比，若相位差為零則表示發(fā)射端工作在諧振狀態(tài)；若相位差不為零則將反映相位差的脈沖信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)電路使其控制逆變器調(diào)節(jié)輸出電源頻率直至發(fā)射端電壓電流同相，控制過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)重新恢復(fù)諧振狀態(tài)。

由于接收端電流信號(hào)與發(fā)射端電壓信號(hào)存在90°相位差，在跟蹤接收端電流頻率信號(hào)時(shí)需要首先將接收端電流移相才能進(jìn)行頻率跟蹤。

因此，為了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，大多數(shù)研究者都選擇直接跟蹤發(fā)射端電流頻率，但是接收端電流頻率的改變不受頻率分裂現(xiàn)象影響，跟蹤接收端電流頻率信號(hào)是可以保證系統(tǒng)跟蹤的頻率始終為固有諧振頻率而不受頻率分裂現(xiàn)象的干擾，從而有效地保證頻率跟蹤控制系統(tǒng)始終在最大傳輸功率和最優(yōu)傳輸效率的工作狀態(tài)。

• 有學(xué)者提出一種頻率跟蹤控制方法可以使發(fā)射電源頻率自動(dòng)同步諧振電路固有頻率，以此避免發(fā)射線圈電感變化引起的失諧導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率下降。
• 有學(xué)者提出了一種基于閉環(huán)控制的自適應(yīng)頻率跟蹤控制方法，提出了一種改進(jìn)的蟻群算法（Improved Ant Colony Algorithm, IACA）來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，并對(duì)最優(yōu)頻率進(jìn)行了跟蹤。
• 有學(xué)者通過(guò)無(wú)線通信的方式直接將傳輸功率和傳輸效率信號(hào)應(yīng)用于頻率跟蹤算法，同時(shí)還考慮功率鏈路和功率放大器效率，從而為跟蹤算法建立合理的準(zhǔn)則，建立的自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)在0～0.5m范圍內(nèi)成功傳出70W左右的電功率，并將傳輸效率保持在70%以上。

頻率跟蹤控制技術(shù)能夠解決MCRWPT系統(tǒng)工作過(guò)程中環(huán)境變化和外部干擾導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)變化引起的失諧問(wèn)題，通過(guò)頻率跟蹤控制技術(shù)可以保證系統(tǒng)工作頻率始終與系統(tǒng)固有諧振頻率相匹配，使系統(tǒng)始終工作在最大功率和最優(yōu)效率狀態(tài)下。

恒功率輸出技術(shù)

在WPT應(yīng)用場(chǎng)景中大多要求負(fù)載功率穩(wěn)定，然而MCRWPT由于工作環(huán)境和負(fù)載變化都會(huì)引起輸出功率動(dòng)態(tài)變化。恒功率輸出技術(shù)能夠保證MCRWPT系統(tǒng)工作狀態(tài)變化時(shí)保證恒功率輸出，增強(qiáng)系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和安全性。

目前常用的輸出控制策略是通過(guò)不同的控制方法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流輸出的目標(biāo)。

• 有學(xué)者通過(guò)分析系統(tǒng)恒流、恒壓工作的邊界條件，在不增加控制器的情況下，通過(guò)恒頻驅(qū)動(dòng)保證系統(tǒng)工作在恒壓、恒流狀態(tài)。減少控制電路的設(shè)計(jì)能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，保證系統(tǒng)的傳輸效率，但是為達(dá)到恒壓輸出的效果需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的邊界條件，對(duì)負(fù)載的取值范圍也有要求，限制了MCRWPT應(yīng)用范圍。
• 有學(xué)者提出采用移相直通控制策略調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出，通過(guò)建立系統(tǒng)等效數(shù)學(xué)模型與移相角的函數(shù)關(guān)系，驗(yàn)證了通過(guò)控制逆變環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)管的直通角可以控制一次電流幅值從而達(dá)到控制輸出功率的效果。
• 有學(xué)者提出一種基于雙拾取耦合機(jī)構(gòu)的恒功率輸出動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，通過(guò)采用相互重疊的雙拾取線圈，在兩線圈之間引入互感，并推導(dǎo)出每個(gè)拾取線圈輸出功率隨等效負(fù)載電阻的變化規(guī)律，通過(guò)控制每個(gè)拾取線圈的實(shí)際等效負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的恒定。
• 有學(xué)者提出一種優(yōu)化方法，可以建立輸入電流與傳輸效率、電壓傳遞函數(shù)和導(dǎo)通角之間的關(guān)系，從而達(dá)到更好的傳遞效率和輸出電壓的可控性。文獻(xiàn)[58]提出了一種在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)使系統(tǒng)效率最大化的跟蹤最大效率點(diǎn)控制方案，該方案將工作頻率固定在接收端諧振頻率，可以動(dòng)態(tài)跟蹤恒壓輸出軌跡上的最大效率點(diǎn)。
• 有學(xué)者提出了一種用于無(wú)線功率傳輸?shù)男滦桶霕蚴接性凑鳎⊿emi- Bridge Active Rectifier, S-BAR）相移控制方法，該控制策略可以在一次、二次側(cè)沒(méi)有通信的情況下通過(guò)對(duì)一次側(cè)開(kāi)關(guān)管相移調(diào)諧來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓。

實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的主要途徑是控制一次電流、電壓的相位和幅值，建立負(fù)載側(cè)電阻與一次側(cè)輸入功率的函數(shù)關(guān)系是確定恒功率輸出策略的關(guān)鍵。因此，以相互函數(shù)關(guān)系為依托，確立相應(yīng)的控制策略是實(shí)現(xiàn)MCRWPT系統(tǒng)恒功率輸出的關(guān)鍵技術(shù)手段。

本文編自2020年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸特性研究動(dòng)態(tài)”，作者為賈金亮、閆曉強(qiáng)。