无线充电技术新突破：最大效率追踪及恒压输出复合控制方法
无线充电技术新突破：最大效率追踪及恒压输出复合控制方法
无线充电技术因其安全可靠、便携性强的特点，在移动电子产品、植入式医疗设备及电动汽车等领域得到了广泛应用。然而，负载变化和耦合机构偏移等问题常常导致系统输出电压不稳定，影响传输效率。针对这一挑战，湖北工业大学的研究团队提出了一种创新的复合控制方法，通过阻抗匹配技术和前馈PI控制相结合，实现了系统的恒压输出和高效率运行。
无线电能传输（WPT）系统由于其与用电设备之间没有直接的电气连接，克服了传统有线充电方式在恶劣环境中的安全隐患，具有可靠性高、便携性强的优点，因此其在移动电子产品、植入式医疗设备及电动汽车等领域得到了广泛应用。
在无线电能传输系统的工作过程中，负载的变化以及耦合机构之间的偏移通常会导致系统输出电压不稳定，且降低系统的电能传输效率。为解决此问题，国内外学者对如何保持无线电能传输系统电压稳定输出以及提高系统的运行效率进行了大量研究。
针对无线电能传输系统的传输效率受耦合线圈之间的互感以及负载影响的特点，湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室的黄文聪、饶天彪等学者，提出一种基于阻抗匹配技术的最大效率追踪及基于前馈PI控制的恒压输出复合控制方法。
图1 控制流程
他们对双边LCC型无线电能传输系统的参数、效率和传输功率进行了详细分析，并进行了参数优化设计，以协调系统工作时的传输功率和传输效率。在此基础上，引入复合控制方法，即在一次侧采用前馈PI控制技术调节系统输出电压，在二次侧采用四开关管升降压电路实现阻抗匹配，同时引入了线圈互感估算方法以适应耦合机构可能发生偏移的无线电能传输系统。
图2 实验平台
该复合控制方法可以保证效率和电压两个控制回路之间的互不干扰，系统能够实现恒压输出并时刻保持较高效率运行。此外，该方法还通过系统工作时的电路参数来估算线圈间的互感值，并通过线性拟合的方法对该估算互感值进行修正，得到更精确的互感估算值。
实验结果表明，与传统PI控制相比，前馈PI控制器有快速、抗干扰、无超调等优势。该控制方法适用于多种静态无线电能传输应用场合，如电动自行车、自动导引运输车（AGV）小车等，也可用于低速动态无线电能传输系统。
研究者指出，由于FSBB电路阻抗匹配的性能受到储能元件实际性能的影响，因此，在负载调节范围较宽时，将会影响无线电能传输系统最大效率追踪效果。下一步可对FSBB电路阻抗匹配性能的提高方法做进一步研究。
本工作成果发表在2024年第12期《电工技术学报》，论文标题为“无线电能传输系统最大效率追踪及恒压输出复合控制方法”。本课题得到国家自然科学基金和湖北工业大学博士科研启动基金的支持。