基于LC網(wǎng)絡(luò)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)供電方法

高世萍 麥瑞坤

感應(yīng)電能傳輸（inductive power transfer, IPT）技術(shù)將電能以非接觸的方式從供電電源傳遞給用電負(fù)載，具有安全、可靠、供電靈活等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外近幾年研究的焦點(diǎn)[1-2]。而隨著全球化石油燃料的日益緊缺及自然環(huán)境的不斷惡化，電動(dòng)汽車受到世界各國(guó)的大力推廣。但充電問題卻成為了限制電動(dòng)汽車發(fā)展的最大問題[3]。

將感應(yīng)電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車中，已受到越來越多的國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注與研究[4]。目前傳統(tǒng)的靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)在運(yùn)用到電動(dòng)汽車上時(shí)，存在續(xù)航里程短、電池組笨重且成本高昂、充電頻繁等缺點(diǎn)[3]，因此，在該背景下，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)被人們提出[5]，該技術(shù)保證了電動(dòng)汽車在行駛過程中被實(shí)時(shí)的提供能量，降低了電動(dòng)車電池組的搭載數(shù)量，提高了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，為電動(dòng)汽車的市場(chǎng)化起到了推動(dòng)作用。

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)供電，可采用較長(zhǎng)的IPT供電線圈方案[6-7]，然而這樣必將增加電能損耗、降低電能傳輸效率。并且，當(dāng)采用較長(zhǎng)的初級(jí)供電線圈時(shí)，次級(jí)電能拾取線圈將無(wú)法完全覆蓋初級(jí)供電線圈范圍，造成電磁泄漏[8]。因此，采用分段導(dǎo)軌供電方式是更為合理有效的方法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)IPT分段供電技術(shù)展開了初步研究，并主要集中研究了供電線圈切換模式[9-10]、供電線圈切換方法等[11-12]。

本文主要研究單逆變器供電、多初級(jí)LCL線圈并聯(lián)的分段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)供電問題[13]。但采用這種分段導(dǎo)軌供電存在的問題是，當(dāng)電動(dòng)汽車還在與第一個(gè)LCL初級(jí)線圈進(jìn)行耦合時(shí)，其余所有并聯(lián)LCL初級(jí)線圈都處于通電狀態(tài)，存在較大的初級(jí)線圈電流，這樣帶來了系統(tǒng)功率損耗以及較大的電磁輻射。同時(shí)，如果直接在并聯(lián)的LCL線圈回路中串聯(lián)開關(guān)進(jìn)行線圈的切除，將會(huì)帶來較大的開關(guān)硬力。因此，本文提出一種含有交流開關(guān)的 LC網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)交流開關(guān)的通斷，進(jìn)而降低初級(jí)線圈電流大小，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射的目的，并使得逆變器工作在軟開關(guān)狀態(tài)。

1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)LCL-S拓?fù)浞治?/h2>

IPT系統(tǒng)采用LCL-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有初級(jí)線圈輸出電流恒定、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)[14]，如圖1所示。圖中主要包括直流供電電源E、DC-DC變換器、高頻逆變器（由 S1－ S4組成）、自感L1、初級(jí)諧振補(bǔ)償電容 CP、初級(jí)線圈自感 LP、互感M、次級(jí)線圈自感 LS、接收端諧振補(bǔ)償電容 CS、高頻整流器（由 D1－ D4組成）、平波電容C1及功率負(fù)載RL。

圖1 LCL-S型補(bǔ)償拓?fù)涞腎PT系統(tǒng)

在IPT系統(tǒng)中，初始配置參數(shù)時(shí)使得初級(jí)電路和次級(jí)電路均處于諧振狀態(tài)，滿足下列關(guān)系：

ZS表示次級(jí)電路總阻抗，可表示為

式中，rS為次級(jí)線圈內(nèi)阻；8RL/π2為整流性負(fù)載的阻抗表達(dá)式[14]。

ZR表示次級(jí)電路總阻抗 ZS在初級(jí)電路中的映射阻抗，即ZP表示初級(jí)電路在初級(jí)線圈處等效阻抗，即

式中，rP表示初級(jí)線圈內(nèi)阻。

ZCP表示初級(jí)電路在補(bǔ)償電容處等效阻抗，即

從式（9）可以看出，LCL-S的電路拓?fù)渚哂谐跫?jí)線圈電流輸出恒定的優(yōu)點(diǎn)，與負(fù)載空載與否無(wú)關(guān)。

2 基于LC網(wǎng)絡(luò)的初級(jí)線圈電流調(diào)節(jié)原理

為滿足電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電需求，在IPT系統(tǒng)中，采用單逆變器供電、多初級(jí)LCL線圈并聯(lián)的分段導(dǎo)軌供電的電路拓?fù)?，如圖2所示。其中，各LCL拓?fù)渚鶟M足式（2）的等式關(guān)系。

圖2 多初級(jí)LCL線圈并聯(lián)的IPT系統(tǒng)

但采用圖2中拓?fù)浯嬖诘膯栴}是，當(dāng)電動(dòng)汽車還在與第一個(gè)LCL初級(jí)線圈進(jìn)行耦合時(shí)，其余所有并聯(lián)LCL初級(jí)線圈都處于通電狀態(tài)，存在較大的初級(jí)線圈電流，會(huì)帶來系統(tǒng)功率損耗以及較大的電磁輻射。

針對(duì)該問題，提出一種采用如圖 3所示的 LC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由電感 La、電容 Ca、開關(guān) Sc與 Sd，其中開關(guān) Sc與 Sd組成等效交流開關(guān)組 Sa。通過控制LC網(wǎng)絡(luò)中交流開關(guān)組 Sa的通斷，進(jìn)而對(duì)初級(jí)線圈電流 LP的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。在圖 3中，La與 L1的互感大小為Ma。

圖3 初級(jí)線圈電流調(diào)節(jié)的LC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)Sa閉合時(shí)，LC網(wǎng)絡(luò)等效阻抗Za可表示為

LC網(wǎng)絡(luò)在初級(jí)電路的反射阻抗Zra可表示為

在LC網(wǎng)絡(luò)中，交流開關(guān)組Sa的通斷分別對(duì)應(yīng)兩種不同的情況：當(dāng)電動(dòng)汽車在遠(yuǎn)處時(shí)，交流開關(guān)組Sa閉合，降低初級(jí)線圈電流IP；當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)入第一個(gè)初級(jí)線圈時(shí)，交流開關(guān)組 Sa斷開，此時(shí) LC網(wǎng)絡(luò)在初級(jí)電路中等效的反射阻抗接近于 0，能量從初級(jí)線圈正常傳遞到次級(jí)線圈，給電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電。當(dāng)電動(dòng)汽車遠(yuǎn)離第一個(gè)初級(jí)線圈、即將進(jìn)入第二個(gè)初級(jí)線圈時(shí)，第二個(gè)初級(jí)線圈的交流開關(guān)組Sa2從閉合狀態(tài)動(dòng)作為斷開狀態(tài)，同時(shí)，第一個(gè)初級(jí)線圈的交流開關(guān)組Sa從斷開狀態(tài)動(dòng)作到閉合狀態(tài)。后續(xù)并聯(lián)初級(jí)線圈中的開關(guān)依次重復(fù)動(dòng)作，保障電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)充電，同時(shí)，降低其余并聯(lián)初級(jí)線圈在不與次級(jí)線圈耦合時(shí)的初級(jí)線圈電流，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射的目的。

由式（7）及式（11）可得，當(dāng)交流開關(guān)組 Sa閉合時(shí)，此時(shí)的初級(jí)電路總等效阻抗為

逆變器輸出電流1I˙可表示為

初級(jí)電路中初級(jí)線圈電流 I˙P可表示為

由式（14）可知，當(dāng)系統(tǒng)確定并配置好相應(yīng)諧振參數(shù)時(shí)，等式右側(cè)的變量就只存在Za，當(dāng)Za減小時(shí)，初級(jí)線圈電流IP將減小。

此時(shí)，LC網(wǎng)絡(luò)中感應(yīng)電壓aU˙可表示為

在交流開關(guān)組Sa閉合時(shí)，開關(guān)管承受的電流硬力應(yīng)滿足下述等式

當(dāng)交流開關(guān)組Sa斷開時(shí)，即表示電動(dòng)汽車進(jìn)入當(dāng)前初級(jí)線圈中。同時(shí)，交流開關(guān)組Sa斷開，即在LC網(wǎng)絡(luò)等效產(chǎn)生一個(gè)無(wú)窮大的阻抗，由式（10）、式（11）可知，LC網(wǎng)絡(luò)在初級(jí)電路中等效反射阻抗Zra接近于0。

由式（8）可知，當(dāng)前逆變器輸出電流的表達(dá)式為

此時(shí)，LC網(wǎng)絡(luò)中感應(yīng)電壓 U˙a可表示為

在交流開關(guān)組Sa斷開時(shí)，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力應(yīng)滿足下述等式，即

因此，在對(duì)開關(guān)管選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路參數(shù)，充分考慮到開關(guān)管的耐壓值與耐流值，以保證系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述通過調(diào)節(jié) LC網(wǎng)絡(luò)中交流開關(guān)通斷進(jìn)而改變初級(jí)線圈電流大小的可行性，依照?qǐng)D 1與圖3搭建了一套LCL-S型的IPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。IPT系統(tǒng)中高頻逆變器的控制芯片為TMS320F28335，交流開關(guān)器件為APT56F50L。

IPT系統(tǒng)電路參數(shù)見表1，其中初級(jí)線圈與次級(jí)線圈氣隙間距為65mm，將 IPT系統(tǒng)配置為靜態(tài)諧振狀態(tài)。

表1 IPT系統(tǒng)電路參數(shù)

同時(shí)，為了驗(yàn)證控制交流開關(guān)通斷改變初級(jí)線圈電流大小的效果，只在原邊繞制一個(gè)LCL拓?fù)涞某跫?jí)線圈。通過實(shí)際將次級(jí)線圈從遠(yuǎn)處慢慢駛?cè)氩⑦h(yuǎn)離初級(jí)線圈，模擬電動(dòng)汽車從遠(yuǎn)處駛?cè)搿⒊潆?、遠(yuǎn)離的過程。并通過次級(jí)線圈的不同位置進(jìn)而控制交流開關(guān)的通斷，實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

在圖5中，IP為初級(jí)線圈電流，UP為初級(jí)電路逆變器輸出電壓?？梢钥闯?，在交流開關(guān)動(dòng)作過程中，逆變器輸出電壓UP保持恒定。同時(shí)，初級(jí)線圈電流變化情況對(duì)應(yīng)交流開關(guān)通斷情況為：在t0時(shí)刻，表示電動(dòng)汽車還未進(jìn)入分段導(dǎo)軌，即次級(jí)線圈還處于遠(yuǎn)離初級(jí)線圈的階段，此時(shí)，通過控制器控制交流開關(guān)組Sa閉合，進(jìn)而降低初級(jí)線圈電流IP，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射、保護(hù)人體安全的目的；在 t1時(shí)刻，表示電動(dòng)汽車開始進(jìn)入分段導(dǎo)軌中，即次級(jí)線圈開始與初級(jí)線圈進(jìn)行耦合，當(dāng)前對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，通過控制器控制交流開關(guān)組Sa斷開，讓初級(jí)線圈電流恢復(fù)正常，能量從初級(jí)線圈正常傳遞到次級(jí)線圈，給電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電；在t2時(shí)刻，表示電動(dòng)汽車開始遠(yuǎn)離分段導(dǎo)軌，即次級(jí)線圈即將遠(yuǎn)離初級(jí)線圈，停止對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，通過控制器控制交流開關(guān)組Sa閉合，進(jìn)而降低初級(jí)線圈電流 IP，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射的目的。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

本文主要研究單逆變器供電、多初級(jí)LCL線圈并聯(lián)的分段導(dǎo)軌供電問題，提出一種含有交流開關(guān)的 LC網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)交流開關(guān)的通斷，進(jìn)而降低初級(jí)線圈電流大小，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射的目的。首先分析了LCL-S的諧振補(bǔ)償拓?fù)?，得出該拓?fù)渚哂谐跫?jí)線圈輸出電流恒定的優(yōu)點(diǎn)，然后介紹了含有交流開關(guān)的 LC網(wǎng)絡(luò)的初級(jí)線圈電流調(diào)節(jié)原理，進(jìn)行了詳細(xì)的公式推導(dǎo)論證。最后，搭建LCL-S的IPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬電動(dòng)汽車充電過程，實(shí)驗(yàn)證明在交流開關(guān)閉合時(shí)，能有效降低初級(jí)線圈電流，達(dá)到降低系統(tǒng)功率損耗、減少電磁輻射的目的。本文目前通過將次級(jí)線圈從遠(yuǎn)處慢慢駛?cè)氩⑦h(yuǎn)離初級(jí)線圈，模擬電動(dòng)汽車從遠(yuǎn)處駛?cè)?、充電、遠(yuǎn)離的過程，只搭建了一個(gè)初級(jí)線圈驗(yàn)證所提方法的有效性，后續(xù)將搭建多個(gè)LCL初級(jí)線圈并聯(lián)，進(jìn)而模擬完整的分段導(dǎo)軌對(duì)電動(dòng)汽車的充電過程。

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