无线充电闭环控制：S-S拓扑与PI调节技术解析

1. 项目背景与核心价值

无线充电技术正在从消费电子向工业设备、医疗仪器等领域快速渗透。这个仿真模型的价值在于解决了WPT（无线能量传输）系统中最关键的痛点——负载变化时的输出电压稳定性问题。传统开环系统在接收端距离或负载变化时，输出电压波动可能高达30%，而闭环控制能将其稳定在±5%以内。

我去年参与过一个AGV无线充电项目，当时开环系统在电池不同SOC状态下的充电电流波动导致频繁触发保护，后来改用类似本文的闭环方案才彻底解决。这个仿真模型特别选用S-S（串联-串联）拓扑，相比其他拓扑有三个显著优势：

• 谐振电流在发射和接收线圈间自动平衡
• 对耦合系数变化不敏感
• 更容易实现零相位角(ZPA)操作

2. 系统架构与工作原理

2.1 S-S拓扑的电路特性

S-S拓扑的核心在于发射端和接收端都采用串联谐振结构。当系统工作在85kHz标准频率时，等效电路模型可以简化为：

code复制[AC Source] -- [L1] -- [C1] -- [线圈] === [线圈] -- [C2] -- [L2] -- [负载]

关键参数计算公式：

• 谐振频率：f_res = 1/(2π√(LC))
• 品质因数：Q = ωL/R
• 耦合系数：k = M/√(L1L2)

实测数据表明，当k值在0.3-0.7范围内变化时，S-S拓扑的效率波动比其他拓扑小40%以上。

2.2 闭环控制策略实现

闭环控制采用输出电压反馈+PI调节的方案，具体实现路径：

1. 接收端通过分压电阻网络采样输出电压
2. 经光耦隔离传输到发射端（避免地回路干扰）
3. 与参考电压比较后输入PI控制器
4. 调节PWM占空比改变逆变器输出

关键控制方程：

code复制D_new = Kp*(Vref - Vout) + Ki*∫(Vref - Vout)dt

实际调试中发现，积分时间常数设为2-3个开关周期（约25μs）时系统最稳定

3. 仿真模型搭建详解

3.1 关键器件选型建议

在Simulink中搭建模型时，这些参数需要特别注意：