張欣，李方洲，李春智，倪豪，薛明

(天津工業(yè)大學(xué)天津市電氣裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

無(wú)線電能傳輸(wireless power transfer,WPT)技術(shù)是指通過空氣[1]、水[2]等軟介質(zhì)將電能以非接觸的形式傳遞到負(fù)載端的技術(shù)。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電源端與負(fù)載端的電氣隔離，具有安全可靠、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。近幾年在電動(dòng)汽車[3]、水下傳能[4]、植入式醫(yī)療設(shè)備[5]等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

磁場(chǎng)耦合式、電場(chǎng)耦合式和微波WPT技術(shù)是WPT系統(tǒng)的3種主要形式。其中，應(yīng)用較多的磁場(chǎng)耦合式WPT又可分為感應(yīng)耦合式和磁耦合諧振(magnetic coupling resonance,MCR)式。電磁感應(yīng)為感應(yīng)耦合式的原理，傳輸效率高，但傳輸距離短，只能用在特定的工作場(chǎng)合。而磁諧振為磁耦合諧振式的原理，其具有傳輸距離遠(yuǎn)、效率高的特點(diǎn)，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7]。當(dāng)發(fā)射端與接收端發(fā)生諧振時(shí)，該方式可以取得較高的傳輸效率，且系統(tǒng)在工作時(shí)要保證電源側(cè)輸出的頻率與電路的固有諧振頻率一致。但由于系統(tǒng)自身和外部環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在失諧狀態(tài)下工作，相比于諧振狀態(tài)下的傳輸效率將急劇下降。且線圈的品質(zhì)因數(shù)越高，失諧對(duì)系統(tǒng)造成的影響越大[8]。系統(tǒng)處于失諧狀態(tài)時(shí)對(duì)傳輸功率和效率有很大影響，因此要取得最大的傳輸效率，系統(tǒng)的傳輸和控制性能還需要進(jìn)一步的完善。而提高系統(tǒng)傳輸性能的核心問題是系統(tǒng)能否諧振狀態(tài)在工作，采取合理有效的控制方法對(duì)諧振頻率進(jìn)行檢測(cè)并調(diào)節(jié)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸(MCR-WPT)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的運(yùn)行條件較為復(fù)雜多變，如在電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線供電系統(tǒng)等實(shí)際領(lǐng)域中，無(wú)線充電的距離、發(fā)射與接收線圈的相對(duì)位置變化較大，而這些因素對(duì)線圈的互感影響較大，進(jìn)而造成了諧振頻率的不確定性。因此，研究系統(tǒng)的頻率控制技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在考慮了系統(tǒng)頻率分裂和失諧所造成的傳輸功率和效率降低的問題后，現(xiàn)分析整理中外的研究報(bào)道，總結(jié)歸納頻率控制技術(shù)所取得的研究成果，概括研究人員在頻率控制的方法中采用的不同理論，對(duì)不同的方法進(jìn)行比較，分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后在已有研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)的頻率控制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并討論未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步優(yōu)化頻率控制技術(shù)和方法提供有價(jià)值的參考。

1 頻率分裂的影響及抑制策略

MCR-WPT技術(shù)基于共振耦合原理，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic研究團(tuán)隊(duì)在2007年提出。將系統(tǒng)中的振蕩電路設(shè)置為相同的頻率，實(shí)現(xiàn)共振從而取得最大能量傳輸[9]。但隨著深入研究后發(fā)現(xiàn)其存在一種頻率分裂的現(xiàn)象：在參數(shù)固定的情況下，MCR-WPT系統(tǒng)的功率最大值有多個(gè)，系統(tǒng)處在發(fā)射端和接收端的固有諧振頻率時(shí)，傳輸功率不增反降，且耦合機(jī)構(gòu)在近距離時(shí)傳輸效率具有多個(gè)峰值[10]。Sample等[11]根據(jù)傳輸距離的不同，將頻率分裂現(xiàn)象劃分為3種狀態(tài)，分別是過耦合狀態(tài)、臨界耦合狀態(tài)和欠耦合狀態(tài)，對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生頻率分裂、即將發(fā)生頻率分裂和還未發(fā)生頻率分裂。

對(duì)于頻率分裂現(xiàn)象，目前已經(jīng)提出多種解決方案?？梢酝ㄟ^機(jī)械的改變線圈的角度和傳輸距離來(lái)調(diào)節(jié)耦合強(qiáng)度使系統(tǒng)退出過耦合區(qū)，但調(diào)節(jié)的精度不高,難以控制在臨界耦合處[12]。由于傳輸距離對(duì)頻率分裂有較大影響，Zhang等[13]提出一種基于距離不敏感的WPT系統(tǒng)，等效電路如圖1所示。利用電耦合系數(shù)和磁耦合系數(shù)的異相特性，通過電耦合系數(shù)抵消磁耦合強(qiáng)度的變化。即使在傳輸距離較近的情況下，也可以避免磁過耦合。實(shí)驗(yàn)證明其短距離的效率提高了約4倍。

Us為電源電動(dòng)勢(shì)；R0為電源內(nèi)阻；RL為負(fù)載；R1與R2為線圈內(nèi)阻；L1與L2為線圈自感；M為互感系數(shù)；電容器C3和C4為C1和C2之間的電耦合；Zin為輸入阻抗；Z為兩個(gè)耦合諧振器Z1和Z2構(gòu)成的二端口網(wǎng)絡(luò)；UL為負(fù)載電壓；I1、I2分別為發(fā)射線圈與接收線圈的電流

在線圈模型設(shè)計(jì)方面，Lü等[14]設(shè)計(jì)了兩個(gè)不相同的諧振線圈，如圖2所示。可以通過兩個(gè)不相同諧振線圈消除互感函數(shù)相對(duì)于傳輸距離的極點(diǎn)，從而避免過耦合。Tian等[15]則設(shè)計(jì)了一種雙路雙向螺旋線圈(double two-way spiral coil, DTSC)，利用其結(jié)構(gòu)特征來(lái)抵消由于短距離而增加的耦合系數(shù)，使得系統(tǒng)的過耦合區(qū)域縮小，且減弱了頻率分裂對(duì)系統(tǒng)所造成的影響。

圖2 不相同諧振線圈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]

對(duì)于四線圈的WPT系統(tǒng)，Huang等[16]為了抑制頻率分裂現(xiàn)象提出了一種調(diào)節(jié)負(fù)載電阻器的方法，并使原始諧振頻率下的傳輸效率得到了提升。之后在四線圈模型的基礎(chǔ)上又提出一種新型的主軸型線圈[17]。利用線圈間的互感差異有效抑制了頻率分裂現(xiàn)象的發(fā)生。

阻抗失配也是系統(tǒng)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象的重要因素之一，因此可以在發(fā)射端或接收端引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高傳輸效率。采用非耗能原件構(gòu)成的阻抗調(diào)節(jié)電路如圖3所示[18]，在分析了過耦合區(qū)域功率下降的原因后，利用阻抗調(diào)節(jié)電路提高了負(fù)載端的接收功率。Beh等[19]提出一種自動(dòng)阻抗匹配系統(tǒng)，通過將諧振器的諧振頻率與電源的頻率進(jìn)行匹配來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸效率。

Us為電源電動(dòng)勢(shì)；R1為發(fā)射線圈阻抗；Ls為固定電感；Cs、Cp為可調(diào)電容；Z′in為輸入阻抗

2 調(diào)諧技術(shù)研究進(jìn)展

WPT系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生偏移會(huì)導(dǎo)致傳輸效率降低。為解決失諧問題，中外學(xué)者的研究方向主要集中在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和頻率跟蹤兩方面。近些年又提出了算法控制、復(fù)合控制、附加測(cè)量線圈控制等一系列新型調(diào)諧方法，調(diào)諧速度和精度都有大幅度的提升。

2.1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率發(fā)生偏移時(shí)，可以考慮采用在發(fā)射端電路中并聯(lián)附加相控電感電路的方法，通過對(duì)開關(guān)器件觸發(fā)角的控制，將電感等效為一個(gè)可變電感，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的失諧控制[20]。當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，發(fā)射端逆變器所輸出電壓值最小且接收端回路的電流值最大?？梢栽诎l(fā)送端與接收端回路中加入相控電感電容并聯(lián)電路，其中電感支路可等效成一個(gè)可調(diào)的電感，其值可由觸發(fā)延遲角來(lái)進(jìn)行調(diào)整，使得兩回路得到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的諧振狀態(tài)[21]。

楊旭等[22]提出了基于脈寬調(diào)變控制的可調(diào)電感補(bǔ)償方案?？刂拼箅姼性谝粋€(gè)固定周期內(nèi)接入主電路的占空比，將其等效為一個(gè)可調(diào)的小電感，從而補(bǔ)償因距離變化引起的諧振頻率的偏移。程澤等[23]則采用在接收端串聯(lián)磁放大器的方法，通過調(diào)整磁放大器兩端的電壓值來(lái)改變所接入電感值，使得接收端的固有諧振頻率始終與電源側(cè)保持一致。其調(diào)節(jié)精度高且控制簡(jiǎn)單，磁放大器由于中間鐵心柱上的氣隙而增大了電感變化范圍，使其可以快速平穩(wěn)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有很高的實(shí)用性。

同理也可在系統(tǒng)中增加相控電容電路，通過改變相控電容的相位角，在電路中形成一個(gè)可變電容并且對(duì)諧振電容進(jìn)行補(bǔ)償，保持電路原有的諧振頻率[24]。Wong等[25]提出了一種基于開關(guān)控制電容器的動(dòng)態(tài)串聯(lián)/串并聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，電容器結(jié)構(gòu)如圖4所示，以重新匹配網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率。Tian等[26]則利用電壓來(lái)對(duì)可變電容器進(jìn)行控制，穩(wěn)定了接收端的輸出電壓，具有很好的調(diào)諧效果。

iAB為輸入電流；iSW和iCa為分支電流；g1和g2為觸發(fā)信號(hào)；VCa為電容器電壓；VDS1和VDS2為開關(guān)電壓；Ceq為相控電容器的等效電路；Ca為固定電容器；S1與S2為兩個(gè)背對(duì)背有源開關(guān)

除了上述在系統(tǒng)中增加補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的方法外，戴欣等[27]設(shè)計(jì)了一種開關(guān)電容陣列裝置。通過改變開關(guān)的通斷狀態(tài)，調(diào)節(jié)電路中的電容值來(lái)使得系統(tǒng)保持在諧振狀態(tài)。但電容數(shù)量過多使系統(tǒng)過于復(fù)雜，操作困難且影響系統(tǒng)的調(diào)諧精度。針對(duì)這一問題，奧克蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種相控電容器的電路拓?fù)?，有效?jiǎn)化了電路的復(fù)雜程度[28]。

2.2 頻率跟蹤

頻率跟蹤控制指的是通過檢測(cè)發(fā)射端和接收端電壓、電流或功率信號(hào)，調(diào)整發(fā)射端逆變器輸出的頻率，將系統(tǒng)的工作頻率與諧振頻率保持一致，從而使得系統(tǒng)可以獲得較高的傳輸功率。

系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)發(fā)射端為純阻性，且電壓和電流同相位，因此系統(tǒng)是否處在諧振狀態(tài)可以通過檢測(cè)發(fā)射端的電壓和電流相位差來(lái)判別。對(duì)于發(fā)射端電壓和電流零相位角的跟蹤可以采用模擬鎖相環(huán)(phase locked loop, PLL)來(lái)實(shí)現(xiàn)[29]。

由于模擬鎖相環(huán)存在易受干擾、可靠性低、調(diào)節(jié)范圍有限、系統(tǒng)不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)，近幾年逐漸被全數(shù)字鎖相環(huán)(all digital phase locked loop, ADPLL)替代[30]。如圖5所示，數(shù)字控制比模擬控制可靠性高，且不易收外界干擾因素的影響，在WPT系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

N0為測(cè)頻值；NP和NI為濾波器輸出的計(jì)數(shù)值；N為計(jì)數(shù)值總和；KP和KI為積分參數(shù)；ui為輸入信號(hào)；uo為反饋信號(hào)

針對(duì)DSP控制的PLL存在丟失驅(qū)動(dòng)脈沖的現(xiàn)象，Jiang等[31]說明了驅(qū)動(dòng)器丟失脈沖的根本原因，并且提出了一種鎖相環(huán)結(jié)合鏈?zhǔn)接|發(fā)模式(phase locked loop combined with the chained trigger mode, PLL-CTM)的解決方案，可以準(zhǔn)確地鎖定諧振電流相位并且可以可靠地產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。Tan等[32]提出了一種基于二階廣義積分鎖相環(huán)(second order generalized integrator phase locked loop, SOGI-PLL)的直接相位控制方法，提高了頻率跟蹤的準(zhǔn)確度。黃程等[33]則采用一種基于微分環(huán)節(jié)鎖相環(huán)的頻率跟蹤失諧控制策略，其控制策略如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)且調(diào)節(jié)了系統(tǒng)的阻抗角，使其維持了合理的失諧率。趙禹等[34]提出一種基于最大接收電壓的頻率跟蹤控制方法，檢測(cè)接收端電壓并根據(jù)反饋信息自動(dòng)調(diào)整發(fā)射源的頻率，使得系統(tǒng)始終處于最大功率傳輸狀態(tài)。Koran等[35]利用混合補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代替了常規(guī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)頻率控制。

Uin為電源電動(dòng)勢(shì)；Cin和C0為母線電容；Q1、Q2、Q3、Q4為逆變電路開關(guān)管；C1和C2為補(bǔ)償電容；VD1、VD2、VD3、VD4為整流二極管；R0為等效阻抗；ω′為角頻率；ε為誤差信號(hào)；Δθ*為相位差控制參數(shù)；VGS1,4和VGS2,3為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；i(θ)為初級(jí)電流檢測(cè)信號(hào)；θ′為控制信號(hào)；εpd為相位差信號(hào)

研究人員大多選擇直接跟蹤發(fā)射端的電流頻率，因?yàn)榘l(fā)射端的電壓信號(hào)與接收端的電流信號(hào)存在相位差[6]。但系統(tǒng)發(fā)生頻率分裂現(xiàn)象后若只追蹤發(fā)射端電壓和電流的相位差，通過鎖定零相角來(lái)進(jìn)行跟蹤會(huì)造成誤差，造成調(diào)諧失敗。而頻率分裂現(xiàn)象則無(wú)法對(duì)接收端的電流頻率信號(hào)造成干擾。因此可以通過檢測(cè)接收端電流頻率信號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào)諧，保證系統(tǒng)在最優(yōu)的工作狀態(tài)下運(yùn)行[36-37]。

Dai等[38]利用比較器檢測(cè)瞬時(shí)短路電流且實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤，此外提出了一種快速準(zhǔn)確的跟蹤方法來(lái)計(jì)算頻率失配并進(jìn)行校正。麥瑞坤等[39]提出一種基于最小電流比值的發(fā)射端頻率跟蹤的動(dòng)態(tài)調(diào)諧方法，根據(jù)最小電流比值原則來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率。針對(duì)傳統(tǒng)的PLL頻率跟蹤周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，Xie等[40]提出了一種可以在半個(gè)振蕩周期內(nèi)完成頻率跟蹤的超快頻率跟蹤方法。通過將工作頻率與衰減的固有頻率同步來(lái)實(shí)現(xiàn)所提出的方法，是傳統(tǒng)PLL頻率跟蹤解決方案的10倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明跟蹤誤差在整個(gè)范圍內(nèi)均保持在1.3%內(nèi)，可以廣泛應(yīng)用于精確和速度要求高的頻率跟蹤領(lǐng)域。

通過算法控制來(lái)對(duì)諧振頻率進(jìn)行跟蹤并調(diào)節(jié)也是近幾年的研究熱點(diǎn)。在分析了發(fā)射端輸入阻抗角與諧振狀態(tài)之間的關(guān)系后，Zheng等[41]提出了一種基于模糊PI復(fù)合控制器的自適應(yīng)頻率跟蹤控制方法。通過對(duì)發(fā)射端阻抗角的控制，使工作頻率跟蹤諧振頻率來(lái)保持系統(tǒng)的諧振狀態(tài)。徐棟等[42]提出了一種Bang-Bang控制和模糊PID控制相結(jié)合的控制方法，跟蹤發(fā)射端的最大電流實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。Li等[43]根據(jù)閉環(huán)控制的自適應(yīng)頻率跟蹤方法，提出了一種改進(jìn)的蟻群算法，在跟蹤了系統(tǒng)諧振頻率點(diǎn)的同時(shí)也保證了最大傳輸功率。Li等[44]提出了基于爬山算法的頻率跟蹤方法，減小了系統(tǒng)失諧對(duì)傳輸功率和效率的影響。

2.3 復(fù)合控制

由于電容或電感元件對(duì)系統(tǒng)諧振頻率的變化較為敏感，因此在進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)諧的過程中，若諧振頻率偏移量較大可采用該方法。頻率跟蹤控制對(duì)調(diào)諧的速度和精度都有所提高，但對(duì)軟硬件要求較高且操作復(fù)雜，在諧振頻率偏差較大時(shí)可能會(huì)造成調(diào)節(jié)速度和精度不夠理想。針對(duì)上述兩點(diǎn)問題，劉幗巾等[45]提出了一種頻率復(fù)合控制方法，控制策略如圖7所示，系統(tǒng)在[80,90]kHz范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)阻抗角對(duì)運(yùn)行頻率的變化較為敏感，則在該頻率范圍內(nèi)發(fā)生失諧時(shí)采用頻率跟蹤控制。若超出該范圍先采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制，到達(dá)該范圍內(nèi)再采用頻率跟蹤控制。

圖7 頻率復(fù)合控制策略[45]

在動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)耦合系數(shù)變化幅度較大，僅通過頻率跟蹤，阻抗匹配和固定耦合系數(shù)下的系統(tǒng)參數(shù)的研究很難實(shí)現(xiàn)最大效率跟蹤。在實(shí)時(shí)識(shí)別耦合系數(shù)的基礎(chǔ)上，Liu等[46]提出一種具有優(yōu)化的T型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的WPT系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最大效率跟蹤控制。當(dāng)諧振頻率隨著阻抗失配發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的傳輸功率會(huì)急劇下降。在系統(tǒng)中加入阻抗匹配結(jié)構(gòu)可以抑制頻率分裂并提高傳輸功率，但中繼線圈或補(bǔ)償組件會(huì)增加系統(tǒng)的尺寸。針對(duì)這一問題，Luo等[47]提出一種阻抗匹配和頻率跟蹤相結(jié)合的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)載阻抗變化時(shí)系統(tǒng)可以快速找到最佳匹配點(diǎn)，并保持較高的傳輸功率。

2.4 附加測(cè)量線圈

接收端電路是否諧振對(duì)系統(tǒng)的傳輸功率有重要影響，因此找到一種便捷可行的判別方法具有重要意義[48-49]。針對(duì)這種情況，麥瑞坤教授及其團(tuán)隊(duì)提出了含有測(cè)量線圈的諧振調(diào)節(jié)系統(tǒng)[50-51]，通過矢量運(yùn)算的方法，得到發(fā)射端電流與檢測(cè)線圈電壓的相位差，將其作為反饋量便可間接獲得副邊回路的諧振狀態(tài), 從而對(duì)逆變器的輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。含測(cè)量線圈的WPT系統(tǒng)電路如圖8所示，只需判別原邊電流與檢測(cè)線圈電壓的相位關(guān)系即可判斷副邊是否處于諧振狀態(tài)。

MPA為原邊與測(cè)量線圈的互感；MSA為副邊與測(cè)量線圈的互感；L′A和L″A為緊耦合變壓器原副線圈的等效電感，其互感為MA′A″

Mai等[52]為了動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)接收端電路的諧振頻率，引入了降壓轉(zhuǎn)換器作為調(diào)諧電路。并提出了一種利用輔助測(cè)量線圈來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)接收端電路和輸出電壓的方法。所提出的調(diào)諧方法使得系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到91%，與失諧狀態(tài)下相比，提高了7.9%。為了實(shí)時(shí)跟蹤在負(fù)載變化和失諧情況下的最大傳輸效率，Mai等[53]提出了一種帶有輔助測(cè)量線圈的有源單相整流器(active single-phase rectifier, ASPR)及其相應(yīng)的控制方法，研究了具有不同相移和脈沖寬度的ASPR軟開關(guān)條件和輔助測(cè)量線圈的最大效率控制策略。該方法在800 W負(fù)載下的系統(tǒng)效率達(dá)到91.7%，300 W輕負(fù)載下達(dá)到91.1%，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

2.5 改變線圈結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)的諧振頻率改變時(shí)，通過調(diào)整耦合機(jī)構(gòu)的角度和相對(duì)位置也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。但其操作難度大且僅適用于靜態(tài)無(wú)線充電，不適用于動(dòng)態(tài)無(wú)線供電[18]。針對(duì)系統(tǒng)中線圈偏移引發(fā)的失諧，Zhao等[54]介紹了一種可調(diào)線圈，可以調(diào)節(jié)線圈的電感值從而自動(dòng)補(bǔ)償諧振頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有可調(diào)線圈的系統(tǒng)可以提高傳輸效率。Liu等[55]提出了由4個(gè)具有相同諧振頻率的線圈組成的共振發(fā)射陣列系統(tǒng)，僅有一個(gè)公共的調(diào)諧電容，減小了系統(tǒng)的體積，且更適用于移動(dòng)設(shè)備充電。

耦合線圈在未對(duì)準(zhǔn)的情況下會(huì)降低傳輸功率并限制可傳輸?shù)墓β柿?，且系統(tǒng)在未調(diào)諧的狀態(tài)下運(yùn)行會(huì)增加開關(guān)損耗。針對(duì)這個(gè)問題，Aldhaher等[56]將E類逆變器作為發(fā)射線圈的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)最佳的開關(guān)條件，而無(wú)需考慮未對(duì)準(zhǔn)情況。Li等[57]在分析了不同線圈半徑和傳輸距離對(duì)系統(tǒng)工作頻率的影響后，針對(duì)不同的工作頻率設(shè)計(jì)了不同的匹配阻抗，使系統(tǒng)獲得較高的傳輸效率。Lee等[58]則以線圈間的傳輸距離作為變量，推導(dǎo)出了距離與最大傳輸功率之間的關(guān)系方程，可以針對(duì)線圈間的距離設(shè)計(jì)最佳的能量傳輸系統(tǒng)。為耦合線圈在距離發(fā)生變化時(shí)迅速調(diào)整系統(tǒng)諧振頻率，提高傳輸效率提供了理論依據(jù)。

2.6 其他頻率控制措施

諧振器在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，但有些接收能量的物體較小，使用常規(guī)大小的諧振器不方便進(jìn)行操作。趙軍等[59]設(shè)計(jì)了一種由3層結(jié)構(gòu)組成的小型諧振器，正面、反面和介質(zhì)分別為方形螺旋銅片、長(zhǎng)方形銅片和聚乙烯板。諧振器大小保持固定，降低諧振器的自諧振頻率可以通過改變內(nèi)外層銅片的寬度，從而將系統(tǒng)失諧的概率降到最低。

Namadmalan[60]提出了一種基于基本諧波運(yùn)算(fundamental harmonic operation, FHO)和三次諧波運(yùn)算(third harmonic operation, THO)的功率和頻率調(diào)諧環(huán)路。與PLL等常規(guī)方法相比，這種方法受未對(duì)準(zhǔn)的影響較小，并可以立即跟蹤諧振頻率，具有很好的實(shí)用價(jià)值。針對(duì)金屬異物可能對(duì)傳輸效率造成影響這一問題，Kar等[61]提出了一種自動(dòng)頻率調(diào)諧無(wú)線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在存在近端金屬異物的情況下提高充電線圈之間不同垂直間距的傳輸功率。通過自動(dòng)頻率調(diào)諧系統(tǒng)適應(yīng)線圈和金屬異物的位置，進(jìn)一步提高了傳輸效率。Seo等[62]提出一種基于最小反射系數(shù)幅度(minimum reflection coefficient magnitude,MRCM)的頻率調(diào)諧方法，來(lái)提高WPT系統(tǒng)的傳輸效率和輸出功率。與檢測(cè)零相位角的調(diào)諧方法相比，該方法較為直觀，且不需要耦合系數(shù)以及初級(jí)和次級(jí)諧振器的信息。

超導(dǎo)材料由于在特殊條件下可以使其電阻接近于零，因此近幾年被廣泛應(yīng)用在WPT系統(tǒng)中?；诖颂岢隽艘环N新型可調(diào)超導(dǎo)諧振器[63-64]。其由高溫超導(dǎo)(high-temperature superconducting, HTS)線圈和兩個(gè)串聯(lián)的可變HTS電極電容器組成。線圈作為能量傳輸工具，而電極電容器則為諧振器提供了一個(gè)頻率調(diào)諧元件。HTS材料引起的損耗較低，從而實(shí)現(xiàn)了較高的品質(zhì)因數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可調(diào)諧諧振器可以實(shí)現(xiàn)12%的調(diào)諧范圍，為超導(dǎo)WPT技術(shù)提供了頻率調(diào)諧功能。

工作狀態(tài)下系統(tǒng)的溫度變化會(huì)導(dǎo)致主要器件參數(shù)發(fā)生變化，從而造成失諧。蘇玉剛等[65]采用查表和擾動(dòng)觀察兩種方法對(duì)諧振頻率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，并且研究了溫度與系統(tǒng)諧振頻率的關(guān)系，實(shí)際具有良好的控制效果。陳士奎[66]則設(shè)計(jì)了具有微機(jī)溫度補(bǔ)償功能的頻率控制系統(tǒng)，可以將線圈的傳輸效率穩(wěn)定在78%～80%。

3 總結(jié)與展望

分析了目前MCR-WPT系統(tǒng)頻率問題的現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了取得高傳輸效率、使得系統(tǒng)恢復(fù)諧振頻率的各種方法。在當(dāng)前常用的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和頻率跟蹤控制的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量附加線圈、改變線圈結(jié)構(gòu)、復(fù)合控制和算法控制等其他調(diào)諧方法進(jìn)行了分析。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)傳輸功率和效率的最大化，但實(shí)現(xiàn)的過程較為復(fù)雜且煩瑣；頻率跟蹤可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率并使其恢復(fù)諧振，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)便，但系統(tǒng)的傳輸功率無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。復(fù)合控制則是將動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和頻率跟蹤控制相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了大范圍的諧振頻率偏移調(diào)節(jié)；改變線圈結(jié)構(gòu)和增加測(cè)量附加線圈為調(diào)諧提供了理論參考，但在實(shí)際操作中不易實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的頻率控制技術(shù)可以考慮以下幾個(gè)研究方向。

(1)在系統(tǒng)中加入傳感器和藍(lán)牙通信模塊，使得發(fā)射端和接收端的狀態(tài)和信息可以快速傳遞，提高實(shí)時(shí)性和工作效率，更好地對(duì)頻率進(jìn)行跟蹤和控制。

(2)將控制算法和深度學(xué)習(xí)等人工智能領(lǐng)域的技術(shù)更多地應(yīng)用于頻率控制中，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)諧振的頻率變化，提高頻率控制的精度，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并及時(shí)采取最佳的頻率控制方式，使系統(tǒng)具有更好的性能。

(3)檢測(cè)和調(diào)節(jié)頻率的結(jié)構(gòu)應(yīng)做到小型化和集成化，且可以在不同條件、不同場(chǎng)合下的WPT系統(tǒng)中通用，擴(kuò)大應(yīng)用范圍以快速實(shí)現(xiàn)頻率控制。

(4)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮裝置的抗干擾能力，避免因內(nèi)部因素和外界干擾而造成的調(diào)諧誤差大，甚至調(diào)諧失敗的問題。