基于MPPT的无线充电负载位置前端监测

相对于有线充电，无线充电更便捷，安全性也更高，全方向无线充电是小功率无线充电领域的发展趋势，也是目前企业界和学术界研究的热点。^[1]文献 [2]提出了利用旋转发射磁场来实现全方向无线充电，系统可以实时跟踪负载的位置，但控制电机的引入无疑增大了系统的复杂度，体积重量有所增加，同时机械结构降低了系统寿命。文献 [3]提出了采用两个发射线圈正交的结构，通过控制线圈中的相位构造旋转磁场，可以实现全方向，但未对磁场进行精准定位，且二维线圈结构自由度不高，输出功率和效率受限。文献[4]在二维正交线圈基础上提出了单一闭合线圈结构，在XY平面内提高了传输距离和效率，但在Z方向不具有自由度。麻省理工学院在文献[5]提出了基于“波束成形”的全方向无线充电控制算法，通过调整6个平放的平面螺旋形发射线圈的电流幅值和相位来实时跟踪负载位置的变化，使磁场精准定位，然而由于负载的监测需要接收侧与发射侧进行无线通信，因此增加了系统控制的复杂度，并且无线通信的损耗影响了系统效率，不适用于小功率的无线充电系统。香港大学许树源团队成果颇丰，文献[6]-[9]提出了三维正交线圈结构，采用分时复用，调整发射线圈中的电流幅值相位来监测负载和互感，但分时复用无疑降低了充电速度，同时对互感和负载的监测需要进行后端监测。文献[10]提出了一种负载和互感的前端监测系统，但是要求采用SS补偿方式，并且不能工作在谐振频率附近，使得系统输出功率大大降低。
本文针对这一现状，在对全方向无线充电系统进行了综合分析的基础上，提出了一种根据负载位置自适应选通发射线圈，通过判定每个发射线圈中的电流幅值大小即可准确判断负载位置，进而导通相应线圈。文章分四个部分阐述：第一部分提出了一种全方向无线充电线圈方案，并对发射线圈组和接收线圈进行建模分析，计算了不同发射线圈对接收线圈的互感；第二部分根据阻抗匹配的原理，提出了基于sepic电路的最大功率跟踪策略；第三部分提出了基于MPPT的负载位置前端监测系统，仅通过监测发射侧电流的幅值即可判断负载位置，并导通相应发射线圈；第四部分制作了实验样机，测试效果良好。