復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能傳輸特性

葉 靜，張建龍，張全鑫，姚宗亮，徐文強

(溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

目前儲能技術(shù)中主要采用蓄電池等能量型儲能元件，但由于蓄電池存在充放電時間較長，使用壽命短和價格比較昂貴等缺點，使得蓄電池的應(yīng)用和推廣受到了較大限制.超級電容器作為功率存儲介質(zhì)，具有充放電時間短、循環(huán)壽命長、充電放電效率高、功率密度高等亮點，正好與電池的性能互補[1-3].因此，通過電池和超級電容器的組合來復(fù)合儲能[4]，可以減少儲能系統(tǒng)的建設(shè)注資和運轉(zhuǎn)資本.目前研究的無線電能傳輸系統(tǒng)，主要是針對以蓄電池為儲能負(fù)載或者是將超級電容器作為儲能負(fù)載的系統(tǒng)，而對基于電池和超級電容器組合的復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能量傳輸系統(tǒng)的研究相對較少[5-6].本文對基于復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能傳輸和接收兩側(cè)電路的阻抗及無線電能傳輸系統(tǒng)的電流、傳輸功率、輸出功率、傳輸效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進行了深入研究，以期能為基于復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能傳輸系統(tǒng)的研究提供參考.

1 復(fù)合儲能負(fù)載無線充電系統(tǒng)

基于復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由無線電能發(fā)射側(cè)電路和無線電能接收側(cè)電路組成[7]（如圖1 所示），其中發(fā)射側(cè)電路將市電交流電壓經(jīng)整流濾波和Buck 變換轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮姆€(wěn)定直流電，再經(jīng)過高頻逆變和諧振網(wǎng)絡(luò)獲取高頻交流電流[8]，發(fā)射線圈發(fā)射高頻交變磁場，接收側(cè)電路的接收線圈和諧振網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)高頻電動勢[9]，復(fù)合儲能負(fù)載所需的充電電壓可以通過高頻整流和DC-DC 變動得到.該復(fù)合儲能負(fù)載也可為交流電機放電.

圖1 復(fù)合儲能負(fù)載的WPT 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

復(fù)合儲能負(fù)載的WPT 系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D2 所示.圖2（a）為發(fā)射側(cè)，其整流電路S1―S6和高頻逆變電路SP1―SP2采用橋式全波電路，每個橋臂由全控開關(guān)組件IGBT 與反向并聯(lián)二極管組成，諧振電路采用LCC 型補償結(jié)構(gòu)；接收側(cè)（圖2（b））采用LCC 型補償結(jié)構(gòu)[10]，高頻整流電路采用的結(jié)構(gòu)是二極管橋式，復(fù)合儲能負(fù)載由Buck 型DC-DC 電路與蓄電池和超級電容器組成[11]，并通過控制開關(guān)KB、KC和Q1―Q4來控制它們的充放電模式.目前大多數(shù)無線電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)載為直流無刷電機或交流電機，本文采用由逆變電路SS1―SS2、交流電機本體和控制開關(guān)KA構(gòu)成的系統(tǒng)負(fù)載.端口AB 與端口CD 之間為系統(tǒng)的諧振網(wǎng)路電路，用于提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率.

圖2 復(fù)合儲能負(fù)載的WPT 系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D

本文采用的雙LCC 型網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖3 所示.

圖3 雙LCC 諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

LCC 與發(fā)射線圈組成一次側(cè)電路，LCC 與接收端組成二次側(cè)回路[10-12].R1和R2為線圈L1P和L2內(nèi)阻，線圈L2和L1S的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于反射阻抗Zr和負(fù)載等效電阻Re而省略.為逆變輸出電壓，負(fù)載等效電阻Re為Buck 變換及其后面負(fù)載RL的等效電阻.直流下電池負(fù)載可看作電阻，經(jīng)過Buck 變換得到Re可看作電阻.一次側(cè)電路輸入阻抗Zin、二次側(cè)電路輸入阻抗ZS、二次側(cè)反射到一次側(cè)的阻抗Zr分別為：

由（1）式和（2）式可得雙LCC 諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振條件：

結(jié)合諧振條件（4）―（6）式，一次側(cè)回路輸入阻抗Zin、二次側(cè)回路輸入阻抗ZS、反射阻抗Zr分別為：

（7）式和（8）式表明，在諧振條件（4）―（6）式下，系統(tǒng)兩側(cè)回路輸入阻抗Zin和ZS均為阻性，原副邊側(cè)均實現(xiàn)單位功率因數(shù)，因此，系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率得到提高.

2 系統(tǒng)的傳輸特性

對于兩側(cè)回路，采用基爾霍夫電壓定律、基爾霍夫電流定律分析可得：

結(jié)合諧振條件，由（10）―（13）式求得兩側(cè)線圈電流和輸入輸出電流分別為[13]：

（14）―（17）式表明，雙LCC諧振網(wǎng)絡(luò)回路電流大小與回路元件參數(shù)、復(fù)合儲能負(fù)載等效電阻、輸入電壓、兩線圈互感及工作頻率等有關(guān).在諧振網(wǎng)絡(luò)一定時，電流大小取決于輸入電壓Uin和互感系數(shù)M，增大輸入電壓并實現(xiàn)兩線圈對準(zhǔn)，可以提高系統(tǒng)的充電電流.而在相位上，輸出回路電流相位落后輸入回路電流相位90°，接收線圈電流相位落后發(fā)射線圈電流相位90°.

系統(tǒng)的傳輸功率Pin、輸出功率Pout和傳輸效率η分別為：

由（18）式和（19）式可知，雙LCC型無線電能傳輸系統(tǒng)是基于復(fù)合儲能負(fù)載的系統(tǒng)，傳輸功率與系統(tǒng)元件參數(shù)、復(fù)合儲能負(fù)載等效電阻、輸入電壓、兩線圈互感及工作頻率等有關(guān)，通過增加輸入電壓和實現(xiàn)雙線圈齊整，系統(tǒng)的傳輸功率和效率得到提升[14].

3 不同充電模式下系統(tǒng)傳輸特性定量數(shù)值計算

給定復(fù)合儲能負(fù)載的無線電能傳輸系統(tǒng)，傳輸特性只由負(fù)載的等效電阻Re決定，而負(fù)載的等效電阻取決于充電模式，因此，復(fù)合儲能的充電模式影響系統(tǒng)的傳輸特性.假定電池負(fù)載電阻為RLB，超級電容器負(fù)載電阻為RLC，交流電機負(fù)載電阻為RLA，DC和DB分別為超級電容器和電池的直流斬波器的驅(qū)動通斷比，則各負(fù)載的等效電阻為，由整流橋、DC-DC 變換、電池、電容器和電機負(fù)載組成的復(fù)合負(fù)載等效電阻為：

其中“+”表示儲能負(fù)載從系統(tǒng)吸收無線電能，即電池和電容器充電，“-”表示儲能負(fù)載釋放無線電能，即電池和電容器放電.通過定量的數(shù)值計算，可以看出不同充電模式對系統(tǒng)的傳輸特性的影響.數(shù)值計算中系統(tǒng)參量典型取值見表1，傳輸特性計算結(jié)果見表2.

表1 復(fù)合儲能無線電能傳輸系統(tǒng)參量取值

表2 不同充電模式下系統(tǒng)的傳輸特性

表2表明，復(fù)合儲能負(fù)載的充電模式不同，對應(yīng)的等效電阻、回路電流、傳輸功率及傳輸效率也不同.負(fù)載等效電阻Re越大，Iin和I2越高，則回路的I1和輸出回路的電流Iout越小，傳輸功率和負(fù)載輸出功率越大，但傳輸效率越小.因此，可以通過增大負(fù)載來增大傳輸功率和負(fù)載輸出功率，但不能提高系統(tǒng)的傳輸效率.

4 結(jié) 語

本文根據(jù)電池和超級電容器互補的特點，將電池和超級電容器組成的復(fù)合儲能負(fù)載用于無線電能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，研究了雙LCC 諧振補償結(jié)構(gòu)的復(fù)合儲能負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)在不同充電模式下的充電電流、傳輸功率和傳輸效率.結(jié)果表明，復(fù)合儲能負(fù)載的充電模式不同，傳輸特性不同，對應(yīng)的等效電阻、充電電流、傳輸功率及傳輸效率也不同，負(fù)載等效電阻越大，系統(tǒng)傳輸功率越大，負(fù)載輸出功率隨之也越大，而傳輸效率越小.