采用CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)的電流型ICPT系統(tǒng)

夏晨陽(yáng)， 路 強(qiáng)， 賈仁海， 張 楊， 張 望， 伍小杰

(1． 江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))， 江蘇省徐州市 221116；2． 國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司， 浙江省嘉興市 314100)

0 引言

感應(yīng)耦合電能傳輸(inductively coupled power transfer，ICPT)技術(shù)由于其安全、可靠、靈活等優(yōu)點(diǎn)，自其誕生以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、磁路耦合機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)輸出特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各個(gè)方面得到了大量研究，取得了豐碩的成果，進(jìn)一步推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，ICPT技術(shù)已成功應(yīng)用于手機(jī)、家用電器和電動(dòng)汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為無(wú)線電能傳輸(wireless power transmission，WPT)的主流技術(shù)之一[1-6]。

通常，在感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用中，用電設(shè)備要求在負(fù)載變化甚至氣隙條件變化時(shí)具有恒壓輸出特性，并保有較好的頻率穩(wěn)定特性。為達(dá)到上述要求，目前主要從閉環(huán)反饋控制方法[7-10]、新型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[11-19]等方面進(jìn)行了研究。

通過(guò)閉環(huán)反饋控制方法實(shí)現(xiàn)ICPT系統(tǒng)變負(fù)載條件下的輸出恒壓穩(wěn)頻已有較多研究。其中，為實(shí)現(xiàn)ICPT系統(tǒng)輸出恒壓，文獻(xiàn)[7]提出了一種新型的功率補(bǔ)給及自循環(huán)模式的輸出控制方法，該ICPT系統(tǒng)輸出電壓恒定。文獻(xiàn)[8]采用變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出。但是變頻控制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法維持穩(wěn)頻特性。為解決ICPT系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性差的問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]提出了基于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)念l率穩(wěn)定控制方案。文獻(xiàn)[10]中提出了采用分段控制輸出穩(wěn)頻方法。

雖然這些方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載下ICPT系統(tǒng)輸出電壓恒定、系統(tǒng)諧振工作頻率穩(wěn)定，但是為實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，需要引入多個(gè)閉環(huán)控制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度增大，穩(wěn)定性降低。

因此，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制目標(biāo)又不使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，最好的方法是通過(guò)系統(tǒng)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足上述各控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[11]分析S/S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到系統(tǒng)在兩個(gè)不同的頻率點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓輸出。文獻(xiàn)[12]分析了S/P補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以精確調(diào)整輸出電壓，然而隨著松耦合變壓器氣隙的變化，輸出電壓增益變化明顯。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了T/S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可使得系統(tǒng)的電壓增益與負(fù)載值無(wú)關(guān)，且具有單位功率因數(shù)輸入特性，但電壓增益與耦合系數(shù)成正比。文獻(xiàn)[14]提出了S/CLC補(bǔ)償拓?fù)?，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓輸出和單位功率因數(shù)輸入。雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)輸入，工作頻率和輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，也得到了廣泛的研究[15-19]。

分析現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下的ICPT系統(tǒng)恒壓供電和穩(wěn)頻輸出做了研究，然而，對(duì)于ICPT系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于磁路耦合機(jī)構(gòu)的靈活性導(dǎo)致氣隙經(jīng)常發(fā)生變化。針對(duì)氣隙變化情況，也已有學(xué)者對(duì)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出做了研究及探討。文獻(xiàn)[20]將脈寬調(diào)制(PWM)+鎖相環(huán)(PLL)相結(jié)合的控制策略應(yīng)用到S/S補(bǔ)償系統(tǒng)，保證負(fù)載變化時(shí)輸出電壓增益恒定。文獻(xiàn)[21]提出利用鎖相環(huán)控制和恒頻控制兩種控制策略控制S/SP補(bǔ)償拓?fù)湟赃m應(yīng)負(fù)載及變壓參數(shù)變化。文獻(xiàn)[12]針對(duì)S/S補(bǔ)償提出一種自激控制策略，保證系統(tǒng)在負(fù)載和耦合條件變化時(shí)，輸出電壓增益固定，但此時(shí)系統(tǒng)輸入阻抗呈感性，系統(tǒng)控制困難且效率較低。

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)研究的上述不足，提出了一種CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)電流型ICPT系統(tǒng)。選擇松耦合變壓器漏感模型，在采用串聯(lián)電容補(bǔ)償原、副邊漏感的基礎(chǔ)上，選擇在原、副邊同時(shí)加入并聯(lián)諧振電容來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁電感，實(shí)現(xiàn)松耦合變壓器完全補(bǔ)償。該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出電壓增益與負(fù)載值無(wú)關(guān)，并且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)頻運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，基于分布式電容矩陣，模擬動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)[22-23]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在氣隙變化后完全補(bǔ)償耦合電感，可使得輸出電壓和工作頻率與負(fù)載無(wú)關(guān)。

1 CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)

基于松耦合變壓器互感等效模型的CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)電流型ICPT系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 采用CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)的電流型ICPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of current-type ICPT system with CCL/LCC composite resonant network

圖1中：Ud為直流電源電壓；Ld為輸入直流電感；S1至S4為開(kāi)關(guān)管MOSFET；D1至D4為反并聯(lián)二極管；Lp和Ls分別為發(fā)射線圈與接收線圈的自感；M為兩線圈的互感；Cp，C1，Lp組成原邊CCL復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)；Ls，C2，Cs組成副邊LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)；整流二極管D5至D8與濾波電感Ld1、濾波電容Cf構(gòu)成整流濾波電路；RL為負(fù)載電阻；ip和is分別為原邊發(fā)射線圈電流和副邊接收線圈電流；uin和iin分別為逆變橋輸出電壓和電流；iL和uL分別為整流后輸出電壓和輸出電流。

CCL/LCC型ICPT系統(tǒng)能量發(fā)射端與能量接收端拓?fù)鋵?duì)稱(chēng)，通過(guò)電路控制與參數(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原邊線圈可工作于磁場(chǎng)激發(fā)與磁場(chǎng)接收兩種模式，能夠使能量雙向傳輸。

2 CCL/LCC型ICPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 輸出電壓恒定參數(shù)設(shè)計(jì)

高頻狀態(tài)下，線圈的品質(zhì)因數(shù)很高，故忽略線圈的等效內(nèi)阻。同時(shí)，將整流濾波電路整體近似等效為純阻性負(fù)載R=π2RL/8[24]。CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)漏感等效模型如圖2所示，其中：Lσ1和Lσ2分別為原、副邊漏感；Lm為勵(lì)磁電感；原、副邊線圈匝數(shù)比為1∶n；io和uo分別為系統(tǒng)等效電阻的電壓和電流。

圖2 CCL/LCC型ICPT系統(tǒng)漏感等效模型Fig.2 Equivalent model for leakage inductance of CCL/LCC-type ICPT system

根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，由圖2可得輸出電壓增益如式(1)所示[21]。

(1)

式中：ω為系統(tǒng)角頻率；Z1=jωLσ1+1/(jωC1)；Z2=jωLσ2+1/(jωC2)。

定義Z3=jωn2Lm+1/(jωCs)，可將電壓增益表達(dá)式(1)化簡(jiǎn)為式(2)。

(2)

式中：

Δ1=(jωCsZ1Z2+Z1-n2ω2LmCsZ1+

jωCsZ2+jωLm)R=jωCsZ1Z2+

jωCsZ1Z3+Z2(Z1+jωLm)R+jωLmR

Δ2=C1C2-n2LmLσ1-LmLσ2-Lσ1Lσ2ω4+

(Lσ1C1+LmC1+n2LmC2+Lσ2C2)ω2-1=

Aω4+Bω2-1

A=-n2LmLσ1-LmLσ2-Lσ1Lσ2C1C2

B=Lσ1C1+LmC1+n2LmC2+Lσ2C2

可以看出，當(dāng)Δ2=0時(shí)，輸出電壓增益與負(fù)載電阻R無(wú)關(guān)，解方程Δ2=0，得出系統(tǒng)的工作角頻率為：

(3)

(4)

在角頻率ωH和ωL下工作時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓增益分別如式(5)和式(6)所示。

Gv(ωH)=

(5)

Gv(ωL)=

(6)

由式(5)和式(6)可知，若要使輸出電壓增益值Gv(ωH)和Gv(ωL)與互感參數(shù)無(wú)關(guān)，則必須有下式成立：

Z1Z3+Z2(Z1+jωHLm)=0

(7)

Z1Z3+Z2(Z1+jωLLm)=0

(8)

若要使式(7)和式(8)成立，需使Z1=Z2=0。當(dāng)滿(mǎn)足該條件時(shí)，有

(9)

式(9)成立時(shí)，則有輸出電壓增益值為：

Gv(ωH)=n

(10)

Gv(ωL)=n

(11)

由式(9)可知，在負(fù)載電阻及磁路耦合機(jī)構(gòu)氣隙寬度變化時(shí)，只要保證原、副邊漏感被完全補(bǔ)償?shù)艏纯蓪?shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。代入完全補(bǔ)償條件到式(3)和式(4)中，可將工作角頻率點(diǎn)ωH與ωL簡(jiǎn)化為：

(12)

(13)

從上面的分析可以看出：對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出與氣隙無(wú)關(guān)特性，需要同時(shí)滿(mǎn)足Z1=Z2=0的條件；且當(dāng)氣隙變化時(shí)，為滿(mǎn)足Z1=Z2=0條件，需要根據(jù)漏感Lσ1和Lσ2的大小，加入電容矩陣，對(duì)C1和C2進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)諧[22-23]加以實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)諧振工作頻率穩(wěn)定參數(shù)設(shè)計(jì)

負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)工作在一定角頻率點(diǎn)下系統(tǒng)輸入阻抗Zin呈純阻性，即具有穩(wěn)頻特性。系統(tǒng)輸入阻抗Zin表達(dá)式如下：

(14)

(15)

由式(15)可知，當(dāng)變壓器原、副邊漏感和勵(lì)磁電感被完全補(bǔ)償時(shí)，其輸出電壓增益值與負(fù)載電阻及磁路耦合機(jī)構(gòu)氣隙寬度無(wú)關(guān)，且同時(shí)系統(tǒng)具有穩(wěn)頻特性。角頻率ωH與式(15)相對(duì)應(yīng)，可使系統(tǒng)輸入總阻抗Zin虛部始終為0，而角頻率ωL與式(15)不相對(duì)應(yīng)，所以不能使系統(tǒng)輸入總阻抗Zin虛部始終為0。當(dāng)fH為系統(tǒng)諧振頻率f0時(shí)，系統(tǒng)輸入阻抗Zin的表達(dá)式如下：

(16)

由此可知，系統(tǒng)輸入阻抗Zin為純阻性，可降低系統(tǒng)的伏安容量，減少電路損耗，提高系統(tǒng)的效率。在負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率fH恒定不變，系統(tǒng)可采用恒頻控制策略，該控制方式簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

2.3 氣隙變化適應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)松耦合變壓器被完全補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓增益僅與磁路耦合機(jī)構(gòu)匝數(shù)比有關(guān)，且具有頻率穩(wěn)定特性。然而，在氣隙條件變化時(shí)，磁路機(jī)構(gòu)的參數(shù)相應(yīng)改變，因此系統(tǒng)需要應(yīng)用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)改變補(bǔ)償電容使系統(tǒng)重新被完全補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)氣隙變化條件下系統(tǒng)恒壓穩(wěn)頻運(yùn)行，提高系統(tǒng)對(duì)氣隙變化的適應(yīng)能力。本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)諧流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)諧流程圖Fig.3 Flow chart of dynamic tuning

3 CCL/LCC型ICPT系統(tǒng)特性分析

ICPT系統(tǒng)在氣隙距離為10 cm、線圈耦合系數(shù)kmin=0.187時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)如附錄A表A1所示。為簡(jiǎn)化分析，松耦合變壓器原副邊線圈匝數(shù)比取為1∶1。

3.1 輸出電壓恒定特性

為研究系統(tǒng)負(fù)載電阻R和輸出電壓的關(guān)系，結(jié)合附錄A表A1中的參數(shù)，畫(huà)出系統(tǒng)工作在諧振頻率20 kHz下輸出電壓有效值Uo隨負(fù)載電阻R變化的曲線，如圖4所示。

圖4 輸出電壓有效值Uo隨負(fù)載電阻R變化的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of valid values of output voltage Uo varying with load resistance R

由圖4可知，在系統(tǒng)諧振頻率20 kHz處，負(fù)載電阻R在0～100 Ω范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出電壓近似保持不變，輸出電壓具有較強(qiáng)的負(fù)載無(wú)關(guān)性。

切換不同負(fù)載電阻R，輸出電壓有效值隨時(shí)間變化曲線如附錄A圖A1所示。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓可以維持穩(wěn)定，與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)相符。

3.2 零輸入相角特性

結(jié)合附錄A表A1參數(shù)畫(huà)出氣隙不變、負(fù)載電阻變化時(shí)，系統(tǒng)輸入阻抗相角θ隨頻率f變化的曲線，如附錄A圖A2所示。分析該圖中曲線可知，系統(tǒng)工作在fH=20 kHz下，氣隙保持不變，負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)始終具有單位功率因數(shù)輸入特性，系統(tǒng)輸入阻抗始終呈純阻性。

基于2014年推出的Finissimo Tourbillon陀飛輪機(jī)心，寶格麗全新研發(fā)出Calibre BVL 288機(jī)心。機(jī)心通過(guò)在背面安裝精美的創(chuàng)新外緣式擺錘為腕表自動(dòng)上鏈。圓形擺錘由白金和鋁兩種密度懸殊的金屬材質(zhì)打造而成，為機(jī)心自動(dòng)上鏈。機(jī)心還采用飛行陀飛輪，配備滾珠軸承系統(tǒng)，有效削減厚度。

3.3 氣隙變化適應(yīng)特性

結(jié)合附錄A表A1系統(tǒng)參數(shù),在氣隙變化為8 cm和5 cm時(shí)，重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。在氣隙為8 cm 時(shí)，線圈互感M=28.67 μH，耦合系數(shù)kmid=0.254，通過(guò)計(jì)算得出諧振網(wǎng)絡(luò)電容分別為Cp=1.105 μF，C1=0.75 μF，C2=0.75 μF，Cs=1.105 μF。在氣隙變?yōu)? cm時(shí)，互感變?yōu)镸=42.29 μH，耦合系數(shù)kmax=0.375，計(jì)算得出諧振網(wǎng)絡(luò)電容分別為Cp=0.75 μF，C1=0.9 μF，C2=0.9 μF，Cs=0.75 μF。

氣隙變化后不重新進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)輸入阻抗相角θ隨系統(tǒng)頻率變化曲線如附錄A圖A3(a)所示。氣隙變化后重新完全補(bǔ)償時(shí)輸入阻抗相角θ隨系統(tǒng)頻率變化的曲線如附錄A圖A3(b)所示。

分析附錄A圖A3中曲線可知，系統(tǒng)工作在fH=20 kHz下，氣隙變化，負(fù)載保持不變時(shí)，不完全補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)輸入阻抗相角不為零。改變補(bǔ)償電容，完全補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)輸入阻抗相角等于零，此時(shí)系統(tǒng)具有單位功率因數(shù)輸入特性。

繪制氣隙變化情況下輸出電壓有效值Uo隨頻率f變化的曲線如附錄A圖A4所示。由該圖可知，當(dāng)松耦合變壓器氣隙距離變化后，保持諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容參數(shù)不變，系統(tǒng)輸出電壓發(fā)生較大改變。而利用動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)將耦合電感完全補(bǔ)償，系統(tǒng)輸出電壓能夠保持穩(wěn)定。

3.4 系統(tǒng)效率特性

當(dāng)系統(tǒng)恒定工作在諧振頻率下時(shí)，系統(tǒng)輸出功率Pout如下：

(17)

式中：Rp為原邊線圈內(nèi)阻；Z2=1/(1/R+jωCs)+1/(jωC2)+jωLs+Rs，其中Rs為副邊線圈內(nèi)阻；Zr=(ωM)2/Z2；Io為系統(tǒng)輸出電流有效值。

系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)總損耗Ploss為：

(18)

式中：Ip和Is分別為原邊發(fā)射線圈電流和副邊接收線圈電流有效值，Ip=Uin/Zr+jωLp+Rp+1/(jωC1)，Is=ωMUin/Zr+jωLp+Rp+1/(jωC1)Z2。

推導(dǎo)出系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)效率ηp為：

(19)

根據(jù)式(19)和附錄A表A1系統(tǒng)參數(shù)可作出如圖A5所示的系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)效率隨負(fù)載電阻變化的曲線，如附錄A圖A5所示。由圖A5可知，負(fù)載電阻R在0～100 Ω范圍內(nèi)，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)效率ηp首先隨著負(fù)載電阻R增大而顯著增大，當(dāng)負(fù)載電阻R繼續(xù)增大時(shí)，效率會(huì)緩慢下降。該系統(tǒng)在僅以負(fù)載電阻R為變量，其余參數(shù)確定的情況下，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)存在一個(gè)最優(yōu)負(fù)載點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)最大效率傳輸。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的正確性，根據(jù)圖1及附錄A表A1所示參數(shù)搭建如附錄A圖A6所示CCL/LCC型復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用模擬動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)，根據(jù)理論計(jì)算，通過(guò)手動(dòng)改變電容補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4.1 電壓增益的負(fù)載特性

首先，選取氣隙寬度為10 cm，即松耦合變壓器耦合系數(shù)kmin=0.187的一組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)得驅(qū)動(dòng)電壓ugs與逆變器輸出電壓uin的波形如附錄A圖A7所示。由該圖可知，驅(qū)動(dòng)電壓與逆變器輸出電壓保持同相位，驅(qū)動(dòng)電壓在逆變器輸出電壓過(guò)零點(diǎn)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。這表明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

當(dāng)松耦合變壓器耦合系數(shù)kmin=0.187，負(fù)載電阻為25 Ω和50 Ω時(shí)系統(tǒng)輸出電壓uo的穩(wěn)態(tài)波形分別如附錄A圖A8和圖A9所示。負(fù)載電阻由25 Ω突變至50 Ω過(guò)程中系統(tǒng)輸出電壓uo和輸出電流io波形如附錄A圖A10所示。由圖可知，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓具有恒定特性。

4.2 系統(tǒng)頻率穩(wěn)定特性

在松耦合變壓器耦合系數(shù)kmin=0.187，負(fù)載電阻為25 Ω和50 Ω時(shí)系統(tǒng)逆變器輸出電壓uin與輸出電流iin波形如附錄A圖A11和圖A12所示。

由式(13)和式(14)可知，系統(tǒng)存在2個(gè)使輸出電壓恒定的工作頻率點(diǎn)。根據(jù)式(15)可知，只有系統(tǒng)工作在ωH對(duì)應(yīng)的頻率下才能使系統(tǒng)輸入阻抗呈純阻性。附錄A圖A11和圖A12在不同負(fù)載電阻下輸出電壓保持不變且逆變器輸出電壓uin與輸出電流iin都保持同相位，系統(tǒng)輸入阻抗為純阻性。因此，系統(tǒng)負(fù)載切換前后均工作在諧振頻率下，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

4.3 氣隙變化適應(yīng)特性

根據(jù)附錄A表A1的系統(tǒng)電路參數(shù)，畫(huà)出氣隙寬度變化下變壓器漏感和勵(lì)磁電感被完全補(bǔ)償以及補(bǔ)償電容不變、未完全補(bǔ)償情況下，輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線，如圖5所示。

圖5 不同負(fù)載下輸出電壓值Fig.5 Output voltage values under different loads

由圖5可知，當(dāng)氣隙寬度確定時(shí)，即松耦合變壓器耦合系數(shù)k值確定的情況下，觀察系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載關(guān)系，證明了CCL/LCC型復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)輸出電壓恒定。同時(shí)，在耦合機(jī)構(gòu)條件變化即耦合系數(shù)k值不同時(shí)，若系統(tǒng)被完全補(bǔ)償，系統(tǒng)輸出電壓變化較小。若補(bǔ)償電容保持不變，輸出電壓降出現(xiàn)較大跌落。因此，CCL/LCC型復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)在變氣隙條件變化時(shí)，若利用調(diào)諧技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。

4.4 系統(tǒng)效率分析

傳輸網(wǎng)絡(luò)的損耗是ICPT系統(tǒng)損耗占比最大的一部分，逆變器等其他損耗雖然所占比重較小，但也不能忽略不計(jì)。因此，本文使用Ainuo公司的AN87500多通道功率分析儀測(cè)試氣隙10 cm這一組參數(shù)下的整機(jī)效率。系統(tǒng)參數(shù)如附錄A表A1所示，繪制如圖6所示的效率曲線圖。

圖6 系統(tǒng)整體效率η隨負(fù)載電阻R變化的曲線Fig.6 Curve of overall system efficiency η varying with load resistance R

由圖6可以看出，此CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)電流型ICPT系統(tǒng)效率首先隨著負(fù)載電阻增加而提高，隨著負(fù)載電阻繼續(xù)增大，系統(tǒng)效率又會(huì)降低，因此系統(tǒng)存在最優(yōu)負(fù)載點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)效率傳輸。但實(shí)際測(cè)試的系統(tǒng)整機(jī)效率低于計(jì)算效率，是因?yàn)閷?shí)際電路參數(shù)誤差和元器件寄生參數(shù)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)恒壓型ICPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本文提出了采用CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)的電流型ICPT系統(tǒng)。CCL/LCC復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)完全補(bǔ)償時(shí)具有輸出電壓恒定、系統(tǒng)工作頻率穩(wěn)定的特性。同時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在氣隙變化條件下的恒壓穩(wěn)頻輸出。結(jié)合實(shí)際參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了CCL/LCC型復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)的良好特性。

使用動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)會(huì)使系統(tǒng)體積龐大且控制復(fù)雜，下一步將繼續(xù)深入研究改進(jìn)。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。