<h2>作品简介</h2> <p>本作品基于原边逆变器定频移相，副边有源整流控制，设计的一套200W无线电能传输平台，实现了负载恒压恒流输出，同时控制系统传输效率最优化，最优效率为85 %以上。本作品实现了能量从直流电源到负载侧能量的高效传输。</p> <hr> <h2>一、作品详情</h2> <p>无线电能传输技术(WPT)是近几年来比较活跃的研究方向，由于其便捷、高效、安全，有利于设备的可靠性与经济性，在消费电子、医疗电子、照明、交通运输等领域得到越来越广泛的应用。 本项目创新的采用调频控制以及移项控制实现恒流、恒压模式的变换以及对输出电压、电流幅值进行控制。为了提高系统控制精度采用数字控制方式对电路进行输出恒压和恒流闭环控制，利用PI补偿方法，补偿、调整系统的动态以及稳态性能，调节负载输出电压和电流恒定，从而实现闭环控制。通过控制实现ZVS软开关，提高系统效率。 最后，根据理论计算，搭建功率为200W的无线电能传输系统样机，传输距离为20cm，效率最高可达到85%以上。</p> <hr> <h2>二、项目背景及意义</h2> <p>随着第二次工业革命的兴起，人类逐步进入电气时代，电气设备的应用已经深入到生产和生活的方方面面。目前，电气设备通常采用有线接触连接的方式进行充电。然而，在很多应用场合，传统有线接触式供电存在的弊端越来越明显。传统的供电方式插头拔插时容易产生火花，尤其在矿井、油田等场合存在很大的安全隐患。因此，人们对无线供电的需求愈加强烈。无线供电有以下优点： （a）使用方便——无线连接，使用方便，移动灵活 （b）使用灵活——无火花及触电危险 （c）可适应恶劣环境——无火花，易于防水，无积尘和接触损耗问题 （d）少维护甚至免维护——无积尘和接触磨损 （e）易于实现无人自动供电和移动式供电 基于以上优点，无线电能传输系统(Wireless Power Transmission System, WPTS)备受当今研究者的青睐，在未来具有广阔的应用前景。无线电能传输技术的应用领域范围很宽，从几毫瓦到几百 ，例如生物医学的器官移植、手机、街道照明系统、水下供电设备、电动汽车等领域。 以下所述矛盾和问题是所有无线电力传输技术共同面临的，但在不同的技术方案中，它们所表现出的严重程度和具体形式存在差异。这里只针对磁共振耦合无线电力传输技术对这些矛盾和问题进行讨论，并概述现有的解决方案。 在其他条件不变时，传输更大的功率需要增大谐振电流。选取合适的谐振网络及元件参数，可将大部分谐振电流和谐振电压制约在谐振网络中，从而使逆变器与整流器所承受的应力与其它同等功率的能量变换装置相当。谐振网络可承受的电压和电流应力分别受限于电容的耐压等级和导体的载流能力。从成本和安全的角度，低应力是对磁共振耦合无线电力传输系统的一个需求，但它与大功率的需求相互矛盾。调和这一矛盾的方法可以是提高耦合系数，使得传输同等功率所需的谐振电流更小，具体方法有使用导磁材料和优化线圈结构。 多数应用希望无线电力传输系统能够以最高的效率向负载提供所需的电压。开环的磁共振耦合无线电力传输系统的输出电压和效率严重依赖于系统参数，其中包括耦合系数和负载。这两个参数不仅无法预先设定，又经常在使用中发生变化，因此产生了参数变化时的优化控制问题。优化控制有两个目标，一是调节输出电压，二是最大化系统效率。 对于第一个目标，如果负载所需电压是恒定的，那么可以通过合适的设计使开环系统的输出电压对耦合系数和负载（在一定范围内）的变化不敏感。当需要调整输出电压或是对输出电压的精度有较高要求时，闭环控制就显得十分必要。对于第二个目标，可以提高开关器件的性能，这包含降低通态损耗与提高开关速度两个方向。或者电路优化设计，这包括谐振网络拓扑的选择、元件参数的设计、逆变器和整流器的设计和工作模式选取、以及工作频率的设置（与谐振频率的关系）等。依据材料和器件性能进行电路优化设计是实现系统最高效率所必须的。 无线能量传输的效率优化存在很多技术问题等待我们去突破，因此，研究无线能量传输技术的效率优化问题具有推进性的意义。</p> <hr> <h2>三、系统硬件设计和软件设计</h2> <h3><strong>3.1</strong> 硬件设计</h3> <p>搭建的无线电能传输系统如图3-1所示，在IPT系统中，为了补偿松耦合变压器的漏感，原、副边采用电容进行补偿，LCC/S补偿结构具有发射线圈电流恒定的特点，对于负载变化的系统该补偿具有很大优势。LCC/S补偿IPT系统的电路拓扑结构如图1所示。初级侧的开关S1-S4形成全桥逆变器，将输入直流电压转换为准方波，而次级侧的开关为整流二极管D1-D4，将交流电压转换为输出直流电压。逆变器开关和整流二极管由补偿网络和松耦合变压器分开。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/PAMYlkdiB82EZeWGzw0yee1NIJXoqVcmnmEaLCsK.png" alt="图3-1 LCC/S补偿IPT系统拓扑"> 图3-1 LCC/S补偿IPT系统拓扑</p> <h4>1）MOSFET全隔离驱动电路</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/KF6NInHMVmXFEnZeepVMza6k643mEKMaJ5u48w2g.png" alt="3-2.png"> 图3-2 MOSFET全隔离驱动电路 逆变器由四个功率开关管组成。4个开关管部分采用隔离驱动模块，实现桥臂边的开关驱动。隔离的最大波特率为 10MHz，满足MCU输出高频 PWM的需求。</p> <h4>2）隔离电压运放设计</h4> <p>为了得到较稳定电压幅值，需要对电压信号进行调理。以此做闭环控制的输入信号。需要注意的是采样电路需要精度准确，功率地和数字地要做隔离处理。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/NBWWwdzcXamFiUdoBw3Zyp6gEfYuEQPdbeWZtyg7.png" alt="3-3.png"> 图3-3 隔离电压运放设计</p> <h4>3）隔离电流采样设计</h4> <p>为了得到较稳定电流幅值，需要对电流信号进行调理。以此做闭环控制的输入信号。需要注意的是采样电路需要精度准确，功率地和数字地要做隔离处理。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/2VOma7fnPx53l27HwHzqvf7NzmpE5tPAJeyLg5wP.png" alt="3-4.png"> 图3-4 隔离电流采样电路原理</p> <h4>4）整流桥逆变桥H桥电路</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/SCXO8F5LlhX1C8dd6NSfF3iOoVRN9Q1DQRzJHnkV.png" alt="3-5.png"> 图3-5 整流桥逆变桥H桥电路</p> <h4>5）滤波稳压电路</h4> <p>为了保证输入直流电压的稳定，在进入逆变桥之前加入滤波稳压电路维持输入的稳定性，保证系统运行较高可靠性。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/r78UsNNXHriIiieCoso4rEXVAZBwP0MB958rio39.png" alt="3-6.png"> 图3-6  滤波稳压电路</p> <h3><strong>3.2 软件设计</strong></h3> <p>闭环自动控制技术的基本思想都是通过增加反馈以减少不确定性，测量、比较、执行是反馈理论的要素，通过测量被控对象和实际值比较获系统偏差来纠正系统的响应。PID控制算法应用十分广泛，它的优点包括算法简单、可靠性高、鲁棒性好。 PID控制系统的原理图如图3-7所示。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/8LP65i9MmGospVXzzwnYCs0H9d9jlBRam0jcwbDp.png" alt="3-7.png"> 图3-7  PID控制算法的原理图 PID控制算法的比例、微分、积分环节的作用如下： （1）比例控制环节：在PID控制系统中，比例控制环节保证了误差信号和控制信号之间存在一定的比例关系，当系统产生误差时，PID控制器能够立即输出一个控制量，减少误差对于系统的影响。 （2）微分控制环节：在比例控制环节产生的信号误差随着时间的变化越来越大，微分控制环节的作用就是矫正这种变化趋势，避免偏差信号变化过大影响系统的精度，微分控制环节加快控制速度，减少调节时间。 （3）积分控制环节：积分控制环节是将系统从开始时刻到当前时刻的所有误差对时间积分，主要用于消除系统的静差。 根据以上PID控制算法中不同环节的作用说明，根据实际问题需求，通过结合以上三种控制环节，能够更为优化控制效果。 系统软件流程图如图3-8所示。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mcRtb67zqioFJYvrMeDwNtJScJdIKhuKXtxkhOGm.png" alt="3-8.png"> 图3-8  系统软件流程图</p> <h3><strong>3.3 系统创新点</strong></h3> <p>提出了一种基于跳频无线充电的双闭环模糊最优效率跟踪方法。此方法能够很好地克服传统无线传输效率低的问题，在保证系统动态特性的同时，极大地提高了系统稳定性和效率。</p> <h2>四、材料清单</h2> <p>本项目所用到的清单包括： 1.      大功率直流电源； 2.      电子负载； 3.      逆变桥； 4.      整流桥； 5.      示波器； 6.      电压电流采集调理电路； 项目实验中所用到器件参数如表4-1所示。 表4-1 系统实验参数 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/REubyxOfniizAasesdaqtOObr720JToOlUKDNuCd.png" alt="4-1.png"></p> <h2>五、系统照片</h2> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/dc0OEPlrFpsO3dOIOP3TjS6MLIBARVEZYDJGxHwb.png" alt="5-1.png"> 大赛logo放大图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/jzIcaBdjpPBj35op1S3VYJCQ5w1DmjYj3Ggy1Ag0.jpeg" alt="5-2.jpg"></p> <h2>六、演示视频</h2> <p>优酷链接： <a href="https://v.youku.com/v_show/id_XNDM3MTMzNjU1Mg==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1" target="_blank">无线电能传输演示视频</a> <a href="https://v.youku.com/v_show/id_XNDM3MTMzNjU1Mg==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1" target="_blank">https://v.youku.com/v_show/id_XNDM3MTMzNjU1Mg==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1</a></p> <h2>七、开源文档</h2> <p><a href="https://pan.baidu.com/s/1TVd-4MQKhuRWr6e0WpGnHw" target="_blank">DSP程序代码</a> <a href="https://pan.baidu.com/s/1TVd-4MQKhuRWr6e0WpGnHw" target="_blank">https://pan.baidu.com/s/1TVd-4MQKhuRWr6e0WpGnHw</a></p>