Проектирование и оптимизация резонансного преобразователя для систем беспроводной передачи энергии 

1. Введение

Беспроводная передача энергии – это технология передачи электроэнергии без использования проводов. Один или несколько передатчиков генерируют электромагнитную волну, которая принимается одним или несколькими приёмниками для преобразования энергии в электрическую. Системы БПЭ малой мощности широко распространены для зарядки мобильных телефонов, станции зарядки высокой мощности (до 50 кВт) используюся для зарядки электромобилей. Для зарядки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) применяют беспроводные зарядные станции с мощностями зарядки до 1 кВт.

В данной работе мы описываем про­цесс разработки и оптимизации прототипа DC/DC-преобразователя мощностью 500 Вт для станции зарядки малых БПЛА. При разработке были рассмотрены вопросы оптимальной схемы силового преобразователя и конфигурации обмоток.

2. Основы беспроводной передачи энергии и цели оптимизации

2.1. Основы беспроводной передачи энергии

Для беспроводной зарядки транспортных средств часто применяют технологию магнитно-связанного резонанса, которая является одной из разновидностей индуктивной технологии БПЭ [2–4]. Для этих магнитно-связанных резонансных преобразователей характерно, что преобразователь работает на резонансной частоте колебательного контура, состоящего из компенсирующей схемы и передающей обмотки на первичной стороне, приёмной обмотки и компенсирующей схемы на вторичной стороне, как это показано на рис. 1.

Первичный преобразователь генерирует переменное напряжение Vs на резонансной частоте получившейся схемы, которая включает первичную (передающую) обмотку L1, вторичную (приёмную) обмотку L2 с компенсирующими цепями и выпрямитель на вторичной стороне.

Простая компенсирующая схема состоит из одного конденсатора, который может быть подключён к первичной и вторичной обмоткам последовательно или параллельно. Возможны и более сложные топологии компенсации, интересующимся этой темой мы предложим ознакомиться с [2]. Геометрия первичной и вторичной обмоток, равно как наличие или отсутствие магнитопроводов, имеют решающее значение для определения магнитного поля системы БПЭ и, как следствие, её работоспособности. Комбинации смещений (вертикальное, горизонтальное и угловое), при которых нарушается соосность приёмной и передающих катушек, влияют на магнитную связь и, следовательно, на эффективность и дальность передачи энергии. В этой связи авторы ставили перед собой задачу исследовать конфигурацию компенсирующей схемы и геометрию обмоток для поиска оптимального режима работы при различных взаимных положениях первичной и вторичной обмоток.

2.2. Конфигурация резонансной схемы

Компенсирующая схема с одним конденсатором может быть подключена последовательно или параллельно к обмотке системы БПЭ, что даёт четыре возможные комбинации резонансной схемы (т.е. комбинации топологий первичной и вторичной стороны). Также известны применения схем без компенсации на вторичной стороне, что добавляет пятый вариант, который тоже необходимо рассмотреть. Таким образом, для рассмотрения остаются:

• последовательно – последовательно;
• последовательно – параллельно;
• параллельно – последовательно;
• параллельно – параллельно;
• параллельно – нескомпенсированно.

Задача анализа на данном этапе заключается в поиске оптимальной комбинации компенсирующих схем на первичной и вторичной сторонах.

При расчётах и моделировании смещения учитываются как уменьшение коэффициента магнитной связи. Анализ компенсирующих сетей проводился в работах [2, 5, 6]. 

В работе [2] выведены уравнения для расчёта ожидаемого КПД для различных компенсирующих сетей. Схема для конфигурации «последовательно – последовательно» показана на рис. 2, где:

• V1 – источник переменного напряжения;
• R1 – эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) первичной обмотки L1;
• R2 – ESR вторичной обмотки L2;
• M – взаимная индуктивность;
• RL – сопротивление нагрузки.

КПД этой схемы рассчитывается по формуле:

где рабочая частота ω₀:

Конфигурация «параллельно – параллельно» показана на рис. 3.

КПД для этого случая предлагается рассчитывать следующим образом:

Формулы (1)–(3) выведены на основе ряда упрощений, наиболее значимым из которых является предположение, что резонансная частота не зависит от взаимной индуктивности, а нагрузка представляет собой простое активное сопротивление. На практике резонансная частота зависит от взаимной индуктивности, а нагрузка обычно является аккумулятором, потребляющим постоянный, а не переменный ток.

2.3. Конфигурация и проектирование обмоток

Оптимальная конфигурация обмоток зависит от передаваемой мощности и возникающих при эксплуатации смещений обмоток. Для снижения смещений предлагается применять пирамидальную конструкцию посадочного модуля [7] или плоский массив [8] передающих обмоток. Авторам представляется, что система с одной плоской передающей и одной плоской приёмной катушками, описанная в [9], лучше подходит для решения практической задачи, поэтому именно такая система и будет исследована.

3. Оптимальная структура первичной и вторичной резонансных схем

Для поиска оптимальной конфигурации первичной и вторичной компенсирующих сетей схема была собрана в среде LTSpice. Схема первичной стороны показана на рис. 4. 

NMOS-транзисторы Q1 и Q2 работают в режиме автоколебаний. Частота колебаний задаётся резонансной частотой передающей обмотки Lw1 и компенсирующего конденсатора C1. Значения индуктивности Lw1 и сопротивления RS1 соответствуют измеренным значениям индуктивностей собранных прототипов.

Схема первичной стороны с последовательной компенсирующей сетью показана на рис. 5. 

Моделирование проводилось как для двух вышеупомянутых схем с компенсирующим конденсатором на вторичной стороне, так и для схемы без компенсирующего конденсатора. В ходе моделирования магнитная связь варьировалась от 0,9 до 0,2. Измерялось напряжение, передаваемое от V1 к RL.

Анализ результатов моделирования показал, что максимальная мощность передаётся при сочетании параллельного подключения конденсатора на первичной стороне и отсутствии компенсации на вторичной стороне.

4. Определение подходящей конструкции обмоток

Приёмная обмотка по сравнению с передающей может быть:

• равного или немного меньшего диаметра;
• значительно меньшего диаметра.

Решение должно приниматься на основе наилучшей передачи энергии при различных смещениях: вертикальном, горизонтальном и угловом, как показано на рис. 6.

Влияние смещения по каждой из осей необходимо исследовать отдельно от других. Для исследования был собран испытательный стенд, показанный на рис. 7, его силовая часть соответствует схеме, приведённой на рис. 4.

В качестве нагрузки схемы применялся резистор, подключённый после выпрямителя, что позволяет снимать зависимости напряжений на резисторе для определения передаваемой энергии (мощности).

Процесс снятия зависимостей выглядел следующим образом. Исследование влияния горизонтального смещения на передаваемую мощность проводилось путём измерения зависимости передаваемой мощности от изменяющегося расстояния между центра­ми двух катушек при фиксиро­ванной высоте расположения приёмной катушки над передающей, исследуя таким образом влияние горизонтального смещения на передаваемую мощность. Для точек с максимальной передаваемой мощностью проводились измерения зависимостей выходной мощности от угла наклона приёмной обмотки и при изменении вертикального расстояния. Были проведены две серии измерений: для обмоток одинакового диаметра и для приёмной обмотки диаметром меньше передающей. График зависимости передаваемого напряжения от расстояния между центрами для приёмной обмотки малого диаметра показан на рис. 8.

Два отчётливых пика на графике соответствуют краевым положениям внутри и снаружи передающей обмотки. Минимум на графике соответствует положению, когда центр приёмной обмотки находится строго над краем передающей обмотки.

Графики зависимости передаваемо­го напряжения от вертикального рас­стояния показаны на рис. 9 и рис. 10. 

Рисунок 9 показывает график для совмещённых центров передающей и приёмной обмоток. График зависимости передаваемого напряжения от вертикального расстояния для первого пика на рис. 8 показан на рис. 10.

Проанализировав выполненные измерения, авторы пришли к выводу, что оптимальная конструкция должна иметь диаметр приёмной обмотки зна­чительно (от 3 до 5 раз) меньше диаметра передающей обмотки.

5. Проектирование резонансного преобразователя мощностью 500 Вт

Результаты исследований были применены при разработке резонансного преобразователя мощностью 500 Вт со следующими основными характеристиками:

• входное напряжение 380–420 В;
• выходное напряжение 65 В;
• максимальный выходной ток 8 А;
• диаметр передающей обмотки 700 мм;
• индуктивность передающей обмотки 35,2 мкГн;
• диаметр приёмной обмотки 150 мм;
• индуктивность приёмной обмотки 2,3 мкГн.

Диапазон изменения входного напряжения преобразователя выбран типичным для выходного напряжения однофазного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности (ККМ).

Силовая схема первичной стороны преобразователя представляет собой полномостовой преобразователь. Транзисторы моста управляются резонансным контроллером FAN7631, который эффективно подстраивает рабочую частоту моста под резонансную частоту итогового контура, состоящего из приёмной и передающей обмоток. На вторичной стороне применена схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой трансформатора и синхронным выпрямлением на NMOS-транзисторах. Упрощённая схема первичной и вторичной сторон силовой части резонансного преобразователя приведена на рис. 11.

На рис. 12 представлен общий вид экспериментального стенда беспроводной передачи энергии.   

Здесь изображены: передающая станция (включающая резонансный преобразователь мощности и передающую катушку), приёмный модуль (объединяющий приёмную катушку и выпрямитель со схемой управления) и беспилотный летательный аппарат (БПЛА). БПЛА на рисунке показан для примера; система может быть адаптирована для зарядки различных потребителей.

Зависимость резонансной частоты и КПД от расстояния между обмотками представлена в табл. 1.

6. Заключение

Моделирование и эксперименты на прототипе показали, что параллельно – нескомпенсированная схема является предпочтительной для зарядных станций малых БПЛА. Выполненные серии измерений также показали, что диаметр приёмной обмотки должен быть в 3–5 раз меньше диаметра передающей. Найденные решения были применены при создании преобразователя мощностью 500 Вт, чьи испытания подтвердили правильность этих выводов. Рабочая частота преобразователя в условиях эксперимента изменялась в диапазоне от 75 до 125 кГц, а максимальный КПД передачи энергии составил 92%.

7. Литература

1. Kalugin N. et al. Design and Optimization of a Resonant Converter for Wireless Power Transfer. PCIM Asia Shenzhen 2024 Conference proceedings, p. 205–209.

2. Alicia Triviño-Cabrera, José M. González-González, José A. Aguado. Wireless Power Transfer for Electric Vehicles: Foundations and Design Approach. Springer Cham 2020.

3. Kalwar K.A., Aamir M., Mekhilef S. Inductively Coupled Power Transfer (ICPT) for Electric Vehicle Charging. A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 47, 462–475 (2015).

4. Triviño-Cabrera A., Aguado-Sánchez J. A review on the Fundamentals and Practical Implementation Details of Strongly Coupled Magnetic Resonant Technology for Wireless Power Transfer. Energies 11(10), 2844 (2018).

5. Jiang Chaoqiang et al. An Overview of Resonant Circuits for Wireless Power Transfer. Energies 10, 7 (June 2017): 894.

6. Weijie Li, Lijun Diao, Weiyao Mei et al. Optimized Resonant Network Design for High Energy Transfer Efficiency of the WPT System April 2023 Electronics 12(9):1984.

7. Shuichi Obayashi, Yasuhiro Kanekiyo, Kiyokazu Sugaki et al. 750-W 85-kHz Inductive Rapid Charging System for Mid-Sized UAV. Wireless Power Week Proceedings 2022 Bordeaux, France 605–610.

8. Mirbozorgi S.A., Bahrami H., Sawan M., Gosselin B. A Smart Multicoil Inductively Coupled Array for Wireless Power Transmission. IEEE Trans. Ind. Electron. 61(11), 6061–6070 (2014).

9. Sampath J.P.K., Alphones A., Vilathgamuwa D.M. Coil Optimization Against Misalignment for Wireless Power Transfer. 2016 IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference (SPEC), Auckland, New Zealand, 2016, pp. 1–5.

Реклама.  ООО «КВ Системы»  ИНН 3662196840  erid = 2SDnjbviANE