1.4 电磁共振式无线充电系统的控制

无线充电控制是根据储能设备的要求对充电过程进行实时控制。储能设备作为充电负载，包括锂电池、铅酸蓄电池和超级电容等。储能设备的充电要求有恒电压充电控制方式、恒电流充电控制方式和分段充电控制方式等。为了实现高效稳定的无线充电目标，实现充电时负载变化的快速响应和充电电压/电流的稳态精度，系统的控制策略尤为重要。无线充电控制系统包括输出电压/电流单闭环无线充电控制系统、传输电流和输出电压/电流双闭环无线充电控制系统、传输电压和输出电压/电流双单闭环无线充电控制系统、传输电压/电流双闭环输出电压/电流单闭环无线充电控制系统、传输电流和输出电压/电流独立单闭环无线充电控制系统等。

无线充电电压/电流单闭环控制系统如图1-16所示，其控制目标是稳定电压或稳定电流，实现储能设备的充电要求。控制系统包括输出给定量（充电电压或充电电流）、电压/电流调节器、电能传输变换电路、磁耦合谐振器（包括电能发射谐振回路和电能接收谐振回路）、电能接收变换电路、输出滤波电路和输出量检测电路（充电电压和充电电流检测）。输出量检测电路将充电电压和充电电流通过无线传送的方式反馈到发射侧，和输出给定量进行比较，形成闭环控制系统。

输出电压/电流单闭环无线充电控制系统没有考虑当输出电压或电流突变时，加上反馈信号延时，会造成发射侧逆变电流突变，导致逆变电流过电流而引起的故障。在发射侧增加逆变电流闭环控制内环，可以有效控制逆变电流的最大值，将逆变电流限制在给定的范围内。

图1-16 无线充电电压/电流单闭环控制系统

图1-17是具有逆变电流内环的无线充电双闭环控制系统。充电电压/电流负反馈无线充电单闭环控制系统，以稳定充电电压/电流为控制目标，在发射侧增加逆变电流闭环控制内环，是以有效控制逆变电流的最大值为控制目标，避免由于输出充电电压和电流的反馈参数延时，使系统调节时间增加而造成的控制器来不及响应、系统失控甚至故障等问题。发射侧逆变电流闭环控制必须要响应速度快，当接收侧负载突变，或充电负载出现开路或短路时，反映到发射侧是逆变电流突变升高，发射侧内环控制的传输电流调节器能迅速调节，限制逆变电流的升高。

图1-17 具有逆变电流内环的无线充电双闭环控制系统

如果把接收侧充电电压和电流进行单独闭环控制，可有效提高充电过程的电压和电流控制精度，避免产生充电过程中由于负载突变或系统扰动引起的充电过电压或过电流问题。磁耦合谐振器的传输电压在接收侧进行检测，形成传输电压独立闭环控制，这样需要建立两个独立的闭环控制系统，如图1-18所示。

图1-18 传输电压和输出电压/电流双单闭环无线充电控制系统

如果在传输电压单闭环系统中发射侧增加逆变电流内环，可以有效控制逆变电流的最大值，避免由于传输电压反馈参数延时而使逆变电流失控从而造成故障，如图1-19所示，接收侧的充电电压或电流闭环和图1-18相同。

图1-19 传输电压加逆变电流内环和输出电压/电流双独立闭环无线充电控制系统

如果传输电压不参与控制，这样可以省去了传输电压闭环，也就省去了无线信号传输反馈模块，发射侧逆变电流进行独立闭环控制，这样发射侧和接收侧形成两个单独闭环，中间省去了无线信号传输环节，避免由于无线信号反馈延时引起的系统调节时间长甚至失控的问题，但要在发射侧增加负载状态快速辨识模块，如图1-20所示。

图1-20 发射侧和接收侧独立双单闭环控制无线充电系统

在发射侧和接收侧独立双单闭环控制无线充电系统中，通过发射侧谐振回路的电压/电流来计算谐振回路的反射阻抗，反射阻抗反映了接收侧的负载状况，通过反射阻抗决定发射侧需要的电能传输量来控制逆变电流的大小，从而达到发射侧和接收侧的电能传输平衡。发射侧谐振回路的反射阻抗和接收侧的负载之间是动态非线性关系，可以通过建立数学模型进行预测，也可以通过实时检测发射回路电压/电流进行快速辨识。

电磁共振式无线充电系统的设计需要根据充电设备的要求，对闭环系统的结构形式、反馈信号传输方式、磁耦合谐振器、电能传输变换电路和电能接收变换电路等进行选择和设计计算。