無線電能傳輸技術因其獨特的傳輸優勢成為當下國內外研究的熱點課題，磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技術以其在近場區傳輸的自身優勢成為當前最為熱門的無線電能傳輸方式之一。
MCRWPT系統是一個多參數耦合的複雜電磁系統，各參數的變化都會導致系統失諧，進而影響系統的傳輸效率和傳輸功率，因此對MCRWPT系統的關鍵控制技術研究是保證系統能夠以最優傳輸效率傳遞較高功率的前提。
下面將從頻率跟蹤控制技術、自動調諧技術、恆功率輸出技術對MCRWPT系統能量高效傳輸、系統優化設計和智能控制進行分析概述。
自動調諧技術
高品質因數諧振系統是提高MCRWPT系統傳輸效率和傳輸功率的關鍵，但是高品質因數諧振電路易受系統參數變化造成系統失諧。自動調諧技術能夠根據系統參數變化引起的失諧進行參數重新匹配，以達到自動調諧使系統始終工作在諧振狀態，保證系統的高效、大功率電能傳輸。
有學者提出一種基於相控電容的諧振電路調諧方法，通過設計相控電容調諧電路，計算電容相位與等效電容之間的對應關係，等效形成可以連續變化的可變電容進行調諧。有學者設計了一種相控電感電路，通過觸發延遲角的調節可以實現動態實時調諧控制。有學者提出一種利用小型步進電機分別控制安裝在發射端和接收端的可調電感進行調諧控制的方法。通過設計調諧電路和優化算法進行諧振參數匹配，並搭建實驗平臺驗證設計的可行性。有學者採用電容陣列動態調節電路對初級諧振電容進行動態調節，確保系統參數變化時仍能工作在諧振狀態。有學者提出一種基於諧波的移相閉環控制策略，設計了一種採用電流平均值進行諧波電流檢測的方法，利用輸出電壓中的諧波含量參與諧振，提高了系統的傳輸效率。有學者提出一種相控電感的無極調諧方法，該方法可實時改變諧振電感的等效值，使諧振網絡的諧振頻率等於系統的工作頻率，保證系統始終工作在諧振狀態。自動調諧技術的關鍵在於系統參數發生變化時能夠通過自動調整相關參數保證系統始終工作在諧振狀態下。通過改變電感和電容大小的方法使系統達到諧振狀態是調諧的重要手段，但是電感、電容的調節是一個被動的過程，通過增加一些控制手段實現主動控制才能保證調諧的連續性。
自動調諧技術能夠有效地提升MCRWPT系統的傳輸效率和最大傳輸功率。自動調諧技術是促進MCRWPT技術推廣應用的關鍵技術，針對不同的應用場景使用相應的調諧技術能夠促進MCRWPT系統在不同領域和各種場景下高效穩定的運行。
頻率跟蹤控制技術
MCRWPT系統依靠高頻工作實現電能無線傳輸，一般工作頻率在kHz～MHz範圍內，系統的傳輸效率和傳輸功率對工作頻率的變化非常敏感。因此，通過頻率跟蹤和控制技術能夠實時監測系統的工作頻率變化，從而保證系統發射端輸出頻率，接收端接收頻率和諧振頻率始終保持一致，從而有效地提高系統的工作效率和傳輸功率，頻率跟蹤技術其實也是實現自動調諧的一個手段。
MCRWPT系統在不同耦合條件下會出現頻率分裂現象，導致系統傳輸功率和傳輸效率的下降。系統在諧振狀態下電壓和電流處於同相位，通過對發射端或接收端電流頻率採樣、檢測實現系統頻率跟蹤。
對發射端電流頻率跟蹤可以直接檢測發射端電流信號相位並將其與電壓信號相位對比，若相位差為零則表示發射端工作在諧振狀態；若相位差不為零則將反映相位差的脈衝信號反饋至驅動電路使其控制逆變器調節輸出電源頻率直至發射端電壓電流同相，控制過程結束，系統重新恢復諧振狀態。
由於接收端電流信號與發射端電壓信號存在90°相位差，在跟蹤接收端電流頻率信號時需要首先將接收端電流移相才能進行頻率跟蹤。
因此，為了系統電路設計更加簡單，大多數研究者都選擇直接跟蹤發射端電流頻率，但是接收端電流頻率的改變不受頻率分裂現象影響，跟蹤接收端電流頻率信號是可以保證系統跟蹤的頻率始終為固有諧振頻率而不受頻率分裂現象的幹擾，從而有效地保證頻率跟蹤控制系統始終在最大傳輸功率和最優傳輸效率的工作狀態。
有學者提出一種頻率跟蹤控制方法可以使發射電源頻率自動同步諧振電路固有頻率，以此避免發射線圈電感變化引起的失諧導致系統傳輸效率下降。有學者提出了一種基於閉環控制的自適應頻率跟蹤控制方法，提出了一種改進的蟻群算法（Improved Ant Colony Algorithm, IACA）來實時跟蹤最大功率點，並對最優頻率進行了跟蹤。有學者通過無線通信的方式直接將傳輸功率和傳輸效率信號應用於頻率跟蹤算法，同時還考慮功率鏈路和功率放大器效率，從而為跟蹤算法建立合理的準則，建立的自動頻率跟蹤系統在0～0.5m範圍內成功傳出70W左右的電功率，並將傳輸效率保持在70%以上。頻率跟蹤控制技術能夠解決MCRWPT系統工作過程中環境變化和外部幹擾導致系統參數變化引起的失諧問題，通過頻率跟蹤控制技術可以保證系統工作頻率始終與系統固有諧振頻率相匹配，使系統始終工作在最大功率和最優效率狀態下。
恆功率輸出技術
在WPT應用場景中大多要求負載功率穩定，然而MCRWPT由於工作環境和負載變化都會引起輸出功率動態變化。恆功率輸出技術能夠保證MCRWPT系統工作狀態變化時保證恆功率輸出，增強系統供電穩定性和安全性。
目前常用的輸出控制策略是通過不同的控制方法實現恆壓、恆流輸出的目標。
有學者通過分析系統恆流、恆壓工作的邊界條件，在不增加控制器的情況下，通過恆頻驅動保證系統工作在恆壓、恆流狀態。減少控制電路的設計能夠降低系統的複雜性，保證系統的傳輸效率，但是為達到恆壓輸出的效果需要設計相應的邊界條件，對負載的取值範圍也有要求，限制了MCRWPT應用範圍。有學者提出採用移相直通控制策略調節系統功率輸出，通過建立系統等效數學模型與移相角的函數關係，驗證了通過控制逆變環節開關管的直通角可以控制一次電流幅值從而達到控制輸出功率的效果。有學者提出一種基於雙拾取耦合機構的恆功率輸出動態無線電能傳輸系統，通過採用相互重疊的雙拾取線圈，在兩線圈之間引入互感，並推導出每個拾取線圈輸出功率隨等效負載電阻的變化規律，通過控制每個拾取線圈的實際等效負載電阻，實現系統輸出功率的恆定。有學者提出一種優化方法，可以建立輸入電流與傳輸效率、電壓傳遞函數和導通角之間的關係，從而達到更好的傳遞效率和輸出電壓的可控性。文獻[58]提出了一種在調節輸出電壓的同時使系統效率最大化的跟蹤最大效率點控制方案，該方案將工作頻率固定在接收端諧振頻率，可以動態跟蹤恆壓輸出軌跡上的最大效率點。有學者提出了一種用於無線功率傳輸的新型半橋式有源整流（Semi- Bridge Active Rectifier, S-BAR）相移控制方法，該控制策略可以在一次、二次側沒有通信的情況下通過對一次側開關管相移調諧來調節系統的輸出電壓。實現恆功率輸出的主要途徑是控制一次電流、電壓的相位和幅值，建立負載側電阻與一次側輸入功率的函數關係是確定恆功率輸出策略的關鍵。因此，以相互函數關係為依託，確立相應的控制策略是實現MCRWPT系統恆功率輸出的關鍵技術手段。
本文編自2020年第20期《電工技術學報》，論文標題為「磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動態」，作者為賈金亮、閆曉強。