0 引 言
    ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)供電系統(tǒng)作為一種新型的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，以非接觸的感應耦合方式可以實現(xiàn)各種功率水平的電能傳輸。由于其供電端與用電設備相互分離，不存在摩擦與磨損，避免了諸如滑動磨損、接觸火花、碳積和導體不安全裸露等所帶來的安全隱患，越來越受到一些易燃、易爆的化工、采礦等行業(yè)的青睞，也為新型非接觸充電設備的設計提供了廣闊的發(fā)展前景。目前已有電動汽車非接觸充電、煤礦有軌運輸車、個人剃須刀、人體醫(yī)學植入等成功應用的報道，且大多集中在針對單個負載情況下系統(tǒng)的電路設計，原副邊的補償結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的諧振頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定等問題展開研究，本文以非接觸通用供電平臺為例研究多負載情況下系統(tǒng)的功率控制問題。
    所謂非接觸通用供電平臺，是指通過一個平板以放置的方式向諸如手提電腦、臺燈、手機、CD機、MP3播放器、電子詞典等用電器單個或同時多個供電的裝置。由于供電的非接觸特性和放置負載的靈活性，有著廣闊的應用前景。本文基于非接觸通用供電平臺多負載情況下的拓撲結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學模型并分析單個負載存在突然變動或者負載變動較大，可能帶來整個系統(tǒng)崩潰的嚴重后果，提出一種自維持的動態(tài)解諧功率流量控制方法。其基本原理就是：根據(jù)負載對功率流量要求的變化，自動地改變拾取端電感或電容的值，使電路脫離諧振狀態(tài)，調(diào)整負載端的輸出電壓。當單個或其中某幾個負載突然出現(xiàn)重載或輕載時，系統(tǒng)能夠自動對該負載解諧，而當該負載恢復正常狀況時，又能夠使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，且又不需要外部控制電路來實現(xiàn)。自維持的動態(tài)解諧控制與傳統(tǒng)的控制方法如開關短路控制、線性調(diào)整器控制等相比有幾個非常突出的優(yōu)點：
    (1)比傳統(tǒng)的拾取端控制方法的效率更高。主要是因為該控制方法能夠智能的實時控制流入負載的功率流量。在開關短路等控制方法中多余的功率以熱量的形式耗散掉，而動態(tài)解諧控制能夠根據(jù)需要的大小自動地調(diào)整流入負載的功率流量，使電源供給的功率剛好滿足負載的需要。
    (2)能夠適應運行頻率的小幅波動。傳統(tǒng)的拾取側(cè)控制方法假定拾取側(cè)的工作頻率等于原邊的運行頻率，同時也假定該系統(tǒng)運行是不分叉的，也就是不會出現(xiàn)多值現(xiàn)象。但實際當中，分叉現(xiàn)象的出現(xiàn)與頻率波動有很大關系。但動態(tài)解諧控制不會受系統(tǒng)頻率較小波動影響，它的解諧點能夠隨著運行頻率的波動做同向的移動。
    (3)改善功率的分配管理。在輸入功率受限的ICPT系統(tǒng)應用當中，動態(tài)解諧控制能夠把功率根據(jù)負載的需要大小合理分配，額外的功率同時又可以供電平臺上的其他用電器供電，從而降低了原邊上的功率要求。動態(tài)解諧控制尤其適合控制功率存在突然變動或者負載變動較大的設備。
    (4)不需要額外的電壓調(diào)整器。動態(tài)解諧控制能夠把負載上的輸出調(diào)整到一個期望的水平等級，也就省去了額外的電壓調(diào)整過程。此外，比線性的電壓調(diào)整器又具有更大的靈活性，可以比較方便地設定電壓輸出值的大小。

1 典型的非接觸通用供電平臺
    基本的電流饋送并聯(lián)諧振型非接觸通用供電平臺如圖1所示。由直流電感Ld、分裂電感Lsp與兩個MOS開關器件M1，M2組成推挽式電流饋送電路，驅(qū)動一個由原邊電容C1、電感L1組成的并聯(lián)諧振電路；n個L2，C2構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，組成向等效負載RLn傳輸功率的拾取電路(pick up)，n為負載的個數(shù)。

以單個負載為例進行分析，拾取端開路電壓為VOC，M為原副邊的互感，I1為原邊線圈上的電流，則有：

 為了便于對電路進行分析，根據(jù)等效原則對拾取側(cè)進行串并轉(zhuǎn)換，將與所構(gòu)成的并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成電阻Rs與電容Cs的串聯(lián)，則有：

這里，Q2=ωC2RL為副邊的品質(zhì)因數(shù)。那么，副邊的阻抗Z2就為：

由式(1)，拾取側(cè)的短路電流ISC為：

在選取副邊補償電容C2時，使其與副邊電感L2構(gòu)成諧振，在拾取線圈上的電壓V2為：

負載上的最大功率只與原邊電流，原副邊間的互感以及副邊線圈的自感有關。
    通常情況下副邊電感L2上的電流為：

副邊拾取側(cè)映射到原邊的電壓Vr為：

在諧振的狀況下，副邊電感與補償電容相互消除，副邊阻抗可以簡化為一個純電阻Rs，則映射電壓Vr的幅值可表示為：

從式(7)，式(10)可以看出，負載RL的值越大，副邊拾取側(cè)映射到原邊線圈上的映射電壓就越大，該負載上獲取的功率也就越大。因此，在多負載的情況下，當某一負載輕載時，也即是RL值突然變大或者波動較大時，就很容易阻礙供電平臺上的其他用電設備獲取足夠的功率，進而導致整個系統(tǒng)的崩潰；同時，輕載的負載也將導致系統(tǒng)的運行頻率不穩(wěn)，以至于其他的用電設備由于不能工作于諧振頻率而不能獲取足夠的功率。

2 動態(tài)解諧控制實現(xiàn)
    考慮到多負載非接觸通用供電平臺的實際特點，采用動態(tài)解諧的解決方案，如圖2所示，該電路由一個定值電感和一個可變電容組成。負載的變動將導致輸出電壓Vo的變化以及功率的改變，因此，動態(tài)解諧諧控制主要是流入負載的輸出電流的大小。

并聯(lián)解諧控制的簡化模型如圖3所示，當電路解諧時，電感和電容的電抗都將隨之改變。此時，負載上的電流可以表示為：

為了進一步說明負載電流和電容值的變化關系，根據(jù)圖3給出如下關系式(12)：

其中：R表示負載，C表示可變電容，L是拾取線圈電感，VOC是感應的開路電壓，IR是負載電流，ω是諧振頻率。由式(12)可以看出，如果其他參數(shù)如R，L，VOC，ω等都固定不變時，那么負載電流將隨電容值的變化而變化，如圖4所示。只有在電容的諧振值這一點負載電流值最大，當電容值偏離諧振點電容越大，負載電流的下降也越大。因此，可以采用兩種方法來達到電路失諧，控制電流大小的目的，根據(jù)可變電容值與諧振點電容值的比較，可變電容小被定義為欠調(diào)諧控制和可變電容大被定義為過調(diào)諧控制。本文只以欠調(diào)諧控制為例來說明動態(tài)解諧方法。式(12)給出的是負載電流與可變電容之間的關系，其中負載是一個給定的不變量，而實際設計當中，主要考慮的是負載變動與可變電容之間的關系，如式(13)：

其中：Vo是流經(jīng)負載的輸出電壓，R是負載，L是拾取線圈電感，ω是諧振頻率，VOC是拾取端感應的開路電壓，C是可變電容。在給定的輸出電壓Vo的前提下，由式(13)可以計算出不同負載下的電容值。因此，可以采用電容在可控的開關頻率下開啟與關斷來等效電容值的變化，具體電路如圖5所示。

其中，在該電路中，電容開關控制依據(jù)負載輸出DC電壓反饋與給定的期望電壓參考值相比較的結(jié)果，產(chǎn)生控制電容開關的輸出信號。同時，在可控頻率下開關電容Ct開關能夠在負載上產(chǎn)生一個所需要的平均電流；而位于開關電容前面的固定電容Cs的作用是為啟動電容開關電路提供最小的啟動功率。
    系統(tǒng)的設計參數(shù)為額定諧振頻率40 kHz，拾取側(cè)感應開路電壓的峰值5．18V，副邊線圈電感15．4μH，負載上的輸出電壓設定為15 V。由式(14)可以求出固定電容值為0．673μH，相應的開關電容值就等于諧振電容值減去固定電容的值，也就是0．357μH。圖6給出了負載輕載時，開關電容、固定電容、開關電容驅(qū)動信號以及輸出負載上的電壓波形。圖7和圖8給出的是動態(tài)欠調(diào)諧控制下，負載變化上時的輸出電壓波形及負載上的輸出功率情況。從圖中可以看出，輕載時，開關電容開關頻率較低，該電路盡量保持解諧狀態(tài)來限制負載上的電壓大小，使電壓穩(wěn)定在15 V；同時，輸出功率并沒有隨著負載輕載運行而增加，而相應地有所減少，消除了對其他用電器的功率影響，避免了系統(tǒng)的崩潰。

3 結(jié) 語
    本文以非接觸通用供電平臺為對象，研究系統(tǒng)中單個負載突然變動或波動較大時，對其他用電器的功率影響的問題，利用一種新穎自維持動態(tài)解諧控制方法，無需額外的控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，且能夠使負載的輸出電壓穩(wěn)定在一個給定的期望值。最后，PSpice仿真實驗結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性。