無線電能傳輸系統(tǒng)線圈補償網(wǎng)絡設計

郝中旭 黃曉峰 陳晨

摘？要：電能的無線傳輸技術開辟了人類能源的另一個新時代，如利用無線電能傳輸來進行充電的電動汽車，以及支持無線充電的電子設備等?；蛟S未來會進入一個無需輸電線的時代。

為了研究在無線電能傳輸中負載發(fā)生變化時仍保證負載電流、電壓恒定，同時簡化系統(tǒng)控制復雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文利用3種不同補償網(wǎng)絡設計，實現(xiàn)負載變化時保證其電流或電壓恒定。首先通過基爾霍夫電壓定律對原邊、副邊建模得到補償網(wǎng)絡的數(shù)學模型，從而剖析達到恒流或恒壓輸出的參數(shù)條件，然后根據(jù)其實現(xiàn)恒流恒壓輸出的參數(shù)要求，確定補償網(wǎng)絡中磁性元件的參數(shù)取值。

通過MATLAB設計整體網(wǎng)絡架構，進行仿真實驗，確認理論的可行性。通過Simulink仿真實驗，驗證了設計的可行性，在負載發(fā)生變化時，系統(tǒng)輸出電流或者電壓波動較小。能夠達到恒壓和恒流的要求。本設計通過設計補償網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)恒流恒壓輸出，相比通過控制方法實現(xiàn)降低了系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：無線充電；LCC-LCC；C-LCC；LCC-C

*基金項目：湖南省自然科學基金“多功能機組絕緣故障診斷關鍵技術研究”，項目編號：2019JJ60060

1 緒論引言

1.1 課題的研究背景與意義

最近幾年內(nèi)，無線充電市場展現(xiàn)出勃勃生機，不斷有新的產(chǎn)品出現(xiàn)[1]，包括手機、手表、汽車等等設備都在朝著無線充電的方向發(fā)展。無線充電技術也拉開了產(chǎn)業(yè)化的進程。尤其對于電動汽車產(chǎn)業(yè)，相比燃油車更加低碳環(huán)保，加上國家大力扶持，近些年發(fā)展迅猛。就動力方面而言，絕大多數(shù)燃油車比不上電動汽車，開辟了對動力有需求的購車族市場。但目前為止電動汽車發(fā)展遇到的瓶頸主要是續(xù)航及電池充電，本文主要就電動汽車充電問題展開討論，在充電過程中，由于不同環(huán)境需求不同，其充電過程可能需要無線充電裝置的恒流或恒壓輸出[2]。但是如今研究多關注于無線傳輸中功率大，效率高等問題[3-4]，對于如何保證在負載變化時負載的恒壓或恒流提及很少。因此，本文通過LCC-C無線充電補償網(wǎng)絡設計使無線充電裝置在負載發(fā)生變化時具有系統(tǒng)恒壓輸出或系統(tǒng)恒流輸出能力。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如今，實現(xiàn)無線充電裝置的恒流和恒壓輸出的途徑基本有如下兩種：一種方法是采用控制方式；另一種方法是采用無線電能傳輸系統(tǒng)的補償網(wǎng)絡設計方式。采用控制方式又分為確定占空比調(diào)節(jié)頻率暨變頻控制[5]和確定頻率調(diào)節(jié)占空比[6]兩種。

采用控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓或恒流輸出的優(yōu)點是調(diào)節(jié)速度比較快，采用調(diào)頻或調(diào)節(jié)占空比的方式可以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度比較高，因此采用控制方式一直是國內(nèi)外研究的熱點，同時其技術也比較成熟。但它也有不可避免的缺點，由于采用了控制方式，所使用的器件必然增多，必然會增加整體系統(tǒng)的復雜程度，同時也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，也需要額外設計其他電路，且涉及到變頻控制，有時會引起頻率分裂[3]。

采用無線電能傳輸系統(tǒng)補償網(wǎng)絡設計方式實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流或恒壓輸出，一般是通過對電感、電容等磁性元件的選型以及構成不同的拓撲結構來實現(xiàn)。一般拓撲分為串聯(lián)-串聯(lián)[7]、串聯(lián)-并聯(lián)[8]、并聯(lián)-串聯(lián)[9]、并聯(lián)-并聯(lián)[10]四種，但由于應用于無線電能傳輸系統(tǒng)時，這四種基本的補償網(wǎng)絡傳輸?shù)男适艿礁边呑杩褂绊懕容^大，本文采用對串并聯(lián)-串聯(lián)的補償網(wǎng)絡進行設計的方式降低副邊阻抗的影響，使無線充電裝置在負載發(fā)生變化時具有系統(tǒng)恒壓輸出或系統(tǒng)恒流輸出能力，同時又減少了復雜電路帶來的不穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)建模

建立LCC-C補償網(wǎng)絡中頻率、磁性元件數(shù)學模型，尋找使系統(tǒng)輸出恒壓或輸出恒流的條件，對磁性元件進行設計。

2.1 LCC- C補償網(wǎng)絡

如圖1所示，LCC-C補償網(wǎng)絡原邊包括電感L11、電容C11及電容C12、發(fā)射線圈L12。副邊包括電感L22、電容C21接收線圈L21。電路依靠發(fā)射線圈和接收線圈的相互耦合來進行電能傳輸。其工作頻率為85 kHz，互感為66 μH。

補償網(wǎng)絡的主要功能是實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出，采用LCC-C補償網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出可將整個系統(tǒng)作為一個電壓源。為方便分析系統(tǒng)的數(shù)學模型可先將傳輸線圈進行解耦，具體解耦模型如圖2。

圖2所示為LCC-C補償網(wǎng)絡解耦模型，對其回路使用基爾霍夫電壓定律可得原邊和副邊的電壓方程為：

3 系統(tǒng)仿真

3.1 LCC- C補償網(wǎng)絡

LCC-C補償網(wǎng)絡在本題中主要實現(xiàn)的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出。

當負載電阻為5 Ω時負載電壓輸出波形如圖3。

由圖3可知，當負載為5 V時，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在10.85 V左右，系統(tǒng)輸出電壓值較低。

當負載電阻為8 Ω時，負載電壓輸出波形如圖4。

可以看出，負載電壓穩(wěn)定在11.4 V左右，電壓穩(wěn)定性較好，波動較小，符合目標要求。

負載電阻為8 Ω時，補償網(wǎng)絡輸入電流電壓波形如圖5。

可以看出，效率比較高。由圖4和圖5可得，當負載為8 Ω時，系統(tǒng)效率應為80%?？梢娤到y(tǒng)功率比較高。

當負載電阻為31.6 Ω時，負載電壓輸出波形如圖6。

由圖3、圖4和圖6可知，相比C-LCC補償網(wǎng)絡，LCC-C補償網(wǎng)絡在低壓時穩(wěn)壓效果較差，在負載電阻由8～31.6 Ω變換的過程中，當負載電阻為8 Ω時，負載輸出電壓穩(wěn)定在11.4 V，當負載電阻為31.6 Ω時，負載輸出電壓穩(wěn)定在11.8 V。負載電壓變化了0.4 V，電壓波動小于5%。設計符合目標要求，但整體穩(wěn)壓效果比C-LCC補償網(wǎng)絡較差，傳輸功率較高。

負載電阻為31.6 Ω時，補償網(wǎng)絡輸入電流電壓波形如圖7。

可以看出，LCC-C補償網(wǎng)絡效率比較高。由圖5和圖7可得，當負載為31.6 Ω時，系統(tǒng)效率應為74.06%。系統(tǒng)的效率相對于8 Ω時降低了。

4 結論

電能的無線傳輸技術開辟人類能源的另一個新時代。如利用無線電能傳輸充電的電動汽車，以及支持無線充電的電子設備等。或許未來會進入一個無需輸電線的時代。

為了研究在無線電能傳輸中負載發(fā)生變化時仍保證負載電流、電壓恒定，同時簡化系統(tǒng)控制的復雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文利用3種不同補償網(wǎng)絡設計實現(xiàn)當負載變化時保證其電流或電壓恒定。首先通過基爾霍夫電壓定律對原邊、副邊建模得到補償網(wǎng)絡的數(shù)學模型，從而剖析達到恒流或恒壓輸出的參數(shù)條件，然后根據(jù)其實現(xiàn)恒流恒壓輸出的參數(shù)要求，確定補償網(wǎng)絡中磁性元件的參數(shù)取值。

在LCC-C補償網(wǎng)絡中，當原邊補償網(wǎng)絡中的L11與C11諧振且副邊補償網(wǎng)絡中的L21與C21諧振時，負載上電壓輸出與負載無關，且負載電壓輸出的大小僅由輸入電壓和C11決定，在給定輸入電壓的情況下，通過設定C11的值可得到需要的恒定輸出電壓大小，但其穩(wěn)壓效果比C-LCC補償網(wǎng)絡差，且在低壓時穩(wěn)壓的效果較差，但是其傳輸效率比較高。

參考文獻：

[1] 范興明，莫小勇，張鑫.無線電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀與應用[J].中國電機工程學報，2015，35（10）：2584-2600.

[2] 石臣鵬.電動自行車交通現(xiàn)狀及對策分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2008，27（5）：772-775.

[3] WANG C S，Stielau O H，Covic G A. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52（5）：1308-1314.

[4] Wu H H，Gilchrist A，Sealy K D，et al. A high efficiency 5kW inductive charger for EVs using dual side control[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8（3）：585-595.

[5] 王淵朝，彭斌，黃武林.一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J].傳感技術學報，2013（10）：1341-1344.

[6] 吉莉，王麗芳，廖承林，等.副邊自動切換充電模式的電動汽車無線充電系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，41（23）：137-142.

[7] 夏晨陽，邵祥，李玉華，等.雙LCL拓撲ICPT系統(tǒng)恒頻恒流穩(wěn)壓特性研究[J].四川大學學報（工程科學版），2016，48（3）：156-163.

[8] 金亮亮，周荔丹，姚鋼，等.適用于并網(wǎng)逆變器的新型LCL濾波器[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44（11）：1-8.

[9] 李勇，麥瑞坤，陸立文，等.一種采用級聯(lián)型多電平技術的 IPT 系統(tǒng)諧波消除與功率調(diào)節(jié)方法[J].中國電機工程學報，2015，35（20）： 5278-5285.

[10] 譚林林，顏長鑫，黃學良，等.無線電能傳輸系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線控制策略的研究[J].電工技術學報，2015，30（19）：12-17.