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相對于有線充電，無線充電更便捷，安全性也更高。全方向無線充電是小功率無線充電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，也是目前企業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點。

有學(xué)者介紹了一種典型的無線充電模型，有學(xué)者提出了優(yōu)化無線充電線圈的方法，有學(xué)者提出了一種優(yōu)化補償網(wǎng)絡(luò)的方法，但均未對全方向無線充電進(jìn)行具體的研究。有學(xué)者利用旋轉(zhuǎn)發(fā)射磁場來實現(xiàn)全方向無線充電，系統(tǒng)可以實時跟蹤負(fù)載的位置，但控制電機的引入無疑增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度，使體積和重量也均有所增加，同時機械結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)壽命。

有學(xué)者提出了采用兩個發(fā)射線圈正交的結(jié)構(gòu)，通過控制線圈中的相位構(gòu)造旋轉(zhuǎn)磁場來實現(xiàn)全方向，但未對磁場進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且二維線圈結(jié)構(gòu)自由度不高，使輸出功率和效率受限。有學(xué)者在二維正交線圈基礎(chǔ)上提出了采用單一閉合線圈結(jié)構(gòu)，在XY平面內(nèi)的確提高了傳輸距離和效率，但在Z方向不具有自由度。

有學(xué)者通過遺傳算法實現(xiàn)了對負(fù)載與互感的識別，然而未對全方向進(jìn)行深入分析。有學(xué)者采用多個發(fā)射線圈切換，增加了發(fā)射側(cè)的自由度，提高了平面內(nèi)的抗偏移能力，不過沒有驗證在全方向上的傳輸效果。

麻省理工學(xué)院在相關(guān)研究基礎(chǔ)上提出了基于“波束成形”的全方向無線充電控制算法，通過調(diào)整6個平放的平面螺旋形發(fā)射線圈的電流幅值和相位來實時跟蹤負(fù)載位置的變化，使磁場精準(zhǔn)定位，然而由于負(fù)載的監(jiān)測需要接收側(cè)與發(fā)射側(cè)進(jìn)行無線通信，因此增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，并且無線通信的損耗也影響了系統(tǒng)效率，不適用于小功率的無線充電系統(tǒng)。

香港大學(xué)許樹源團隊成果頗豐，在有關(guān)成果中提出了三維正交線圈結(jié)構(gòu)，采用分時復(fù)用，調(diào)整發(fā)射線圈中的電流幅值相位來監(jiān)測負(fù)載和互感，但分時復(fù)用無疑降低了充電速度，同時對互感和負(fù)載還需要進(jìn)行后端監(jiān)測。

有學(xué)者提出了一種負(fù)載和互感的前端監(jiān)測系統(tǒng)，但是要求采用發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)的補償方式，并且不能工作在諧振頻率附近，使得系統(tǒng)輸出功率大大降低。

本文針對上述現(xiàn)狀，在對全方向無線充電系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，采用了一種根據(jù)負(fù)載位置自適應(yīng)選通發(fā)射線圈，通過判定每個發(fā)射線圈中的電流幅值大小即可準(zhǔn)確判斷負(fù)載位置，進(jìn)而導(dǎo)通相應(yīng)線圈。

本文分4節(jié)闡述：第1節(jié)提出了一種全方向無線充電線圈方案，并對發(fā)射線圈組和接收線圈進(jìn)行建模分析，計算了不同發(fā)射線圈對接收線圈的互感；第2節(jié)根據(jù)阻抗匹配的原理，提出了基于sepic電路的最大功率跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）策略；第3節(jié)提出了基于MPPT的負(fù)載位置前端監(jiān)測系統(tǒng)，僅通過監(jiān)測發(fā)射側(cè)電流的幅值即可判斷負(fù)載位置，并導(dǎo)通相應(yīng)發(fā)射線圈；第4節(jié)制作了實驗樣機，測試效果良好。

圖7 前端控制電路圖

圖8 前端控制流程圖

總結(jié)

本文針對目前全方向無線充電后端監(jiān)測方式的局限性，構(gòu)建了基于MPPT的前端監(jiān)測控制系統(tǒng)。首先監(jiān)測不同發(fā)射線圈的電流幅值；接著判定電流幅值大小，通過自適應(yīng)算法選通能實現(xiàn)最大功率輸出的線圈；最后通過實驗驗證了該前端監(jiān)測控制系統(tǒng)的可行性。