雙LCC 型諧振式無線電能傳輸技術(shù)研究

張海平

（貴州電子科技職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

電能的無線傳輸是通過利用轉(zhuǎn)換裝置，將電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量，這些能量在一定空間介質(zhì)中傳播，再由特定接收裝置收集，把能量轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。 其中磁耦合諧振式無線電能傳輸(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）系統(tǒng)傳輸距離適中，整體傳輸效率高，傳播過程中對(duì)周圍環(huán)境影響小，是目前最有應(yīng)用潛力和研究價(jià)值的電能無線傳輸技術(shù)[1-2]。 本文對(duì)四種基礎(chǔ)諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的補(bǔ)償特性進(jìn)行了分析，以雙LCC 型MCR-WPT系統(tǒng)作為主要研究對(duì)象，分析了其輸出特性。

1 基礎(chǔ)諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)補(bǔ)償特性

MCR-WPT 系統(tǒng)原、 副邊線圈間往往存在一定距離，漏感較大，處于弱耦合狀態(tài)，高頻電源激勵(lì)下的線圈呈現(xiàn)感性阻抗，只是高頻電源功率因數(shù)較低，無功損耗大，為了提高系統(tǒng)整體傳輸性能，同時(shí)滿足MCR-WPT 系統(tǒng)的傳輸條件，需要在線圈兩端加入諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與線圈構(gòu)成諧振電路[3-4]。 根據(jù)諧振補(bǔ)償電容與發(fā)射線圈和接收線圈的連接方法和位置的不同，構(gòu)成了串聯(lián)——串聯(lián) （SS）、 串聯(lián)——并聯(lián) （SP）、 并聯(lián)——串聯(lián)（PS）、并聯(lián)——并聯(lián)（PP）四種基礎(chǔ)諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

定義高頻電源的工作角頻率為ω，線圈間的耦合電感為M，用電負(fù)載為R，高頻電源的工作頻率等于副邊LS和CS的諧振頻率，即為了降低系統(tǒng)的無功消耗，就需要系統(tǒng)的輸入阻抗虛部為零，通過互感耦合模型和阻抗分析，得到了表1 原邊諧振補(bǔ)償電容計(jì)算公式。

表1 原邊諧振補(bǔ)償電容計(jì)算公式

通過表1 不難發(fā)現(xiàn)，以上的諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，只有SS型的原邊諧振補(bǔ)償電容不受線圈間耦合情況或負(fù)載變化的影響。

2 雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)建模

圖1 所示為雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)電路圖，其中Uin為高頻電源，M 是原、副邊線圈之間的耦合電感，系統(tǒng)等效負(fù)載為RL，原邊諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由電容C1、電感L1和電容構(gòu)成，副邊諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由電容、電容C2和電感 L2構(gòu)成，電感的寄生內(nèi)阻分別為 R2、Rp、R1和Rs，RO為高頻電源等效內(nèi)阻。

圖1 雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)電路圖

設(shè)系統(tǒng)高頻電源工作角頻率為ω，經(jīng)過整理得系統(tǒng)的輸入阻抗為：

為了提高電能傳輸效率，降低系統(tǒng)在電感電容上的無功損耗，需對(duì)原邊與副邊的諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行的參數(shù)配置：令 ω1為原邊 L1和 C1的諧振角頻率，ω2為副邊 L2與C2的諧振角頻率，根據(jù)磁耦合諧振系統(tǒng)的傳輸條件及LCL 諧振結(jié)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)[5]，元器件參數(shù)關(guān)系如下：

系統(tǒng)電源等效內(nèi)阻與電感寄生內(nèi)阻較小可忽略不計(jì)，根據(jù)KVL 和KCL 可化簡得：

定義電流IL 和電源Uin 的比值為電流增益Gi，結(jié)合式（6）可得電流增益 Gi 為：

定義

把 L1=60μH，f=28.8kHz，L2=60μH，代入式（7）根據(jù)式（8）繪制了如圖2 所示電流增益曲線。

從圖中可以看出，雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)電流的輸出受線圈間耦合情況和負(fù)載RL 變化的影響，在兩線圈距離固定時(shí)，線圈間耦合系數(shù)一定，負(fù)載變化范圍較小時(shí)，流過負(fù)載的電流基本恒定，表現(xiàn)為恒流輸出特性。

圖2 電流增益曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建的雙LCC 型MCR-WPT 無線電能傳輸系統(tǒng)，硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的參數(shù)如下：

1） 原副邊線圈尺寸相同，自感值分別為 126μH、125μH；

3）線圈間傳輸距離變化范圍 50mm～150mm；

4）高頻電源由直流電源和高頻逆變器組成，工作頻率為28.8kHz。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 所示為原、 副邊線圈平行且同軸時(shí)，雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)線圈間距離與用電負(fù)載變化時(shí)流過負(fù)載電流變化曲線，相同傳輸距離時(shí)，隨著負(fù)載的增大，流過負(fù)載的電流逐漸減小，印證了上一節(jié)對(duì)雙LCC 系統(tǒng)電流輸出特性的分析，雙LCC 型諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在用電負(fù)載變化范圍較小時(shí)具有恒流輸出能力，負(fù)載變化范圍較大時(shí)，受副邊線圈寄生內(nèi)阻的影響電流輸出很難保持恒定。

圖3 負(fù)載與線圈間距離變化時(shí)負(fù)載流過電流輸出曲線

5 總結(jié)

本文以雙LCC 型MCR-WPT 技術(shù)為研究對(duì)象，對(duì)不同諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析對(duì)比，得出了SP、PS、PP 三種諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)原邊諧振補(bǔ)償電容受負(fù)載和線圈間耦合情況變化的影響結(jié)論，并提出了一種針對(duì)雙LCC 型MCR-WPT 系統(tǒng)的參數(shù)配置方案，通過該參數(shù)配置方案，在線圈間傳輸距離固定的情況下，負(fù)載小范圍變化時(shí)流過負(fù)載電流相對(duì)穩(wěn)定，表現(xiàn)出恒定電流輸出能力，降低副邊線圈內(nèi)阻，可以有效提高雙LCC 型MCR-WPT 式無線充電系統(tǒng)的恒流輸出能力，且搭建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了這一結(jié)論。