DQZHAN訊：變負載無線充電系統的恒流充電技術
哈爾濱工業大學機電工程學院、哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員宋凱、李振杰、杜志江、朱春波，基于磁耦合共振原理，設計了一套采用平板磁心結構的變負載恒流充電無線電能傳輸系統。
利用等效電路模型分析影響傳輸功率、系統效率和充電電流的主要因素。根據超級電容恒流充電過程中等效負載電阻動態變化規律，采用不同阻值的功率電阻模擬其充電特性。
首先，分析二次側Buck變換器對充電電流的調節作用，得到占空比與充電電流的關系，采用PI控制算法實現變負載的恒流充電;其次，通過理論分析和仿真實現磁耦合機構參數優化設計;*后，搭建系統實驗平臺對系統設計方法進行驗證。在傳輸距離為15cm且負載電阻為0.5-5?時，實現29A的恒流充電。當負載電阻為3.2?時，系統效率和傳輸功率分別為87.7%和2.58kW。
2007年，美國麻省理工學院M. Soljacic教授團隊提出磁耦合共振技術，這是一種以電磁場為媒介，通過磁耦合諧振作用實現電能無線傳輸的技術。該技術具有傳輸距離遠、系統效率高且傳輸功率大等優點，已經成功應用于電動車、人體植入式設備及便攜式設備等[1,2]。
就上述設備而言，大都以鋰電池組和超級電容為動力源，其等效負載電阻在充電過程中動態變化[3];同時，為縮短充電時間，需要采用大電流進行恒流充電。本文在分析超級電容充電過程中等效負載電阻動態變化的基礎上，采用不同阻值的功率電阻對其恒流充電特性進行模擬。
無線充電系統的研究主要集中在補償結構、磁耦合機構、功率變換器及控制策略等方面。通常而言，補償結構用于提高系統效率和減小無功功率，包括串聯-串聯(串串)、串聯-并聯(串并)、并聯-并聯(并并)和并聯-串聯(并串)四種基本類型。
其中，采用串串補償時，負載阻值和一、二次側之間耦合系數變化不會影響系統諧振，適用于負載動態變化的系統[4]。磁耦合機構直接影響傳輸功率、系統效率和電磁兼容性等。文獻[5]提出使用磁心材料優化設計磁耦合機構能夠有效提高耦合系數、偏移容忍能力和磁屏蔽效果。
文獻[6]提出采用串串和并串或串并和并并混合結構及切換開關實現定頻方式為電池組進行恒壓/恒流無線充電。文獻[7]提出通過合理地設計工作頻率實現串串或串并結構的變負載恒流充電，但由于分析過程中忽略了線圈內阻和負載范圍對系統的影響，提出的方法僅能實現在一定負載范圍內近似的恒流/恒壓充電。因此，為實現**、穩定且符合實際應用需求的恒流無線充電，控制策略是必要的。
通常而言，無線充電系統的控制策略主要分為一次側控制和二次側控制[8,9]。其中，一次側控制需要采用無線通信方式將負載的充電電流/電壓信息實時反饋到一次側，實現充電電流/電壓的恒定控制。二次側控制不需要無線通信，通過增加二次側DC-DC變換器調節充電電流/電壓，這種方法能夠提高系統的穩定性與可靠性。
本文提出基于二次側Buck變換器的變負載系統恒流充電控制方法。通過理論和仿真分析影響傳輸功率、系統效率和充電電流的主要因素，并優化設計磁耦合機構。通過實驗驗證所設計系統能夠實現變負載時恒流無線充電要求。
本文設計了一套基于平板磁心結構的變負載恒流無線充電系統。通過電路模型分析傳輸功率、系統效率和充電電流與互感值、Buck變換器占空比和負載電阻關系。由理論與仿真分析超級電容的等效負載電阻動態變化且阻值較小特點，采用不同阻值的功率電阻對其充電特性進行模擬和分析。
在優化設計磁耦合機構參數的基礎上，采用二次側PI控制算法調節Buck變換器占空比，實現變負載系統的充電電流恒定。*后，搭建實驗平臺驗證理論分析與仿真結果的正確性。
