基于雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

王子儼

(國網(wǎng)吉林省電力公司，吉林 長春 130000)

無線電能傳輸，是指無需通過導(dǎo)線連接或者其他物理途徑的接觸，直接將電能轉(zhuǎn)換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間將能量從電源傳遞到負(fù)載的電能傳輸技術(shù)[1]，具有靈活、安全、可靠、傳輸效率高等優(yōu)點[2-4]，在極端環(huán)境下有著獨特的優(yōu)勢，因此在電動汽車[5-6]、移動電子設(shè)備[7]、智能家居、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-11].2003年，Kurs等[12]提出了無線電能傳輸(Wireless Power Transmission，WPT)技術(shù)，其系統(tǒng)的最高傳輸效率達(dá)到了90%以上，由于該技術(shù)傳輸效率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，使其成為了多個研究團(tuán)隊的主要研究對象[13]；2015年，密歇根大學(xué)Li Sqi團(tuán)隊提出了雙LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[14]，實現(xiàn)在不改變補(bǔ)償元件參數(shù)的條件下，改變諧振頻率，切換系統(tǒng)的工作模式以完成恒流或恒壓輸出[15-17].隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，在研究過程中通常會引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振狀態(tài).文獻(xiàn)[18].以串-串型補(bǔ)償拓?fù)錇槔治隽讼到y(tǒng)諧振頻率和初、次級互感值對無接觸電能傳輸系統(tǒng)性能的影響；文獻(xiàn)[19].通過引入對比實驗，對串-串拓?fù)浜碗p邊 LCC 拓?fù)涞膫鬏斝阅苓M(jìn)行分析，得到系統(tǒng)原邊線圈的電流不會隨著負(fù)載的變化而變化，同時能夠保留串-串型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但并未就參數(shù)完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計.

基于無線電能傳輸系統(tǒng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的問題，本文對雙邊LCC進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，分析了各諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)傳輸性能的影響，最后完成了基于雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計.

1 無線電能傳輸系統(tǒng)

無線電能傳輸技術(shù)通過兩個不直接接觸電感的線圈，一個為發(fā)射線圈，另一個為接收線圈，依靠發(fā)射線圈和接受線圈同一自諧振頻率共振的方法來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過補(bǔ)償電路、整流電路、濾波電路等實現(xiàn)能量傳輸.無線電能傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示.

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)組成框圖

諧振線圈部分由原邊補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、副邊補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和發(fā)射線圈、接收線圈共同組成.當(dāng)系統(tǒng)線圈發(fā)生偏移時，主要影響系統(tǒng)傳輸性能的為諧振線圈部分的參數(shù).

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，大多傳輸線圈是由銅質(zhì)線圈纏繞而成，發(fā)射線圈和接收線圈中兩端都有連接補(bǔ)償電容，補(bǔ)償電容與線圈中的等效電阻通過串聯(lián)形成原邊等效阻抗和副邊等效阻抗.主要針對系統(tǒng)中的阻抗參數(shù)展開分析，討論各參數(shù)對系統(tǒng)的影響程度，來對各個參數(shù)進(jìn)行選取和調(diào)節(jié).

線圈的自感值計算式如下:

L=N2rμ0[ln(8r/g)-2]，

(1)

公式中：g=k(2a+2a×N)，a為所選線圈的線徑；N為線圈匝數(shù)，其中k為常數(shù)；r為整個傳輸線圈的半徑.

對傳輸線圈進(jìn)行供電，線圈產(chǎn)生阻抗消耗能量，線圈的阻抗計算式如下:

(2)

公式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；ω為工作角頻率；l為傳輸線圈中所用材料的長度.

線圈中的分布電容計算式如下:

(3)

公式中：h為線圈高度；D為線圈直徑；ε0為真空介電常數(shù)；εri為螺旋管內(nèi)相對介電常數(shù)；εrx為螺旋管外相對介電常數(shù).

通過觀察并對比三式可發(fā)現(xiàn)，線圈自身參數(shù)均對線圈的自感、等效電阻以及分布電容有影響，主要影響因素為線圈的長度、尺寸和匝數(shù)等.因此對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化之前要確定線圈的自身參數(shù)，從而可以有效地提高系統(tǒng)傳輸性能.

2 雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖2 雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路圖

雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Bilateral -LCC)，該系統(tǒng)在參數(shù)設(shè)計方面具有較高的參與度，對比傳統(tǒng)的LCC、LCL等復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參數(shù)的調(diào)節(jié)更為直觀.雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路圖如圖2所示.

其中L1、C1、Ct為發(fā)射線圈的補(bǔ)償電感和補(bǔ)償電容；L2、C2、Cr為接收線圈的補(bǔ)償電感和補(bǔ)償電容；Lt、Lr為發(fā)射線圈和接收線圈的自感；Rt、Rr為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻,Rs、Ro分別為電源的等效內(nèi)阻和負(fù)載電阻，ULCC是交流電壓源為系統(tǒng)提供一定幅值和頻率的交流電壓.

引用文獻(xiàn) [20].中的結(jié)論， 四種基本諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有較好的傳輸性能.為了更綜合的考慮D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸性能，將D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖3所示.

圖3 線圈偏移下D-LCC、SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳輸性能對比結(jié)果

輸出功率在不同補(bǔ)償電感作用下的大小如圖3(a)所示，從圖中可知當(dāng)補(bǔ)償電感值相等時，其輸出功率與SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同；但不同的補(bǔ)償電感，在相同的偏移距離下所對應(yīng)的輸出功率大小不同.不同補(bǔ)償電感對傳輸效率的影響如圖3(b)所示，圖中顯示當(dāng)D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中補(bǔ)償電感值選取一定范圍值時系統(tǒng)的傳輸效率可優(yōu)于SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).因此在無線電能傳輸系統(tǒng)中，選取D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠獲得良好的傳輸性能.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

無線電能傳輸系統(tǒng)的整體硬件思路如圖4所示，系統(tǒng)的供電電源采用24 V，1 A的電源適配器，其中全橋逆變器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與發(fā)射線圈、接收線圈相連接，且發(fā)射線圈與接收線圈處于非接觸的狀態(tài)，接收端采用全波整流濾波器和π型濾波器，二者共同將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出的交流電轉(zhuǎn)為供負(fù)載使用的直流電，最后輸出端采用降壓式Buck電路為系統(tǒng)輸出降壓穩(wěn)壓.

圖4 系統(tǒng)整體框圖

3.2 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射端硬件電路設(shè)計的主要內(nèi)容包括：驅(qū)動信號的產(chǎn)生、驅(qū)動電路以及全橋逆變器.其中驅(qū)動電路以及驅(qū)動信號的產(chǎn)生，都是為了全橋逆變器中的開關(guān)管提供觸發(fā)信號.從而為發(fā)射線圈提供正常的交流信號和工作頻率.

3.2.1 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的作用是將系統(tǒng)所需要的正弦脈寬波進(jìn)行放大，使功率開關(guān)管和負(fù)載可以正常工作.全橋逆變器中有兩個橋臂，且驅(qū)動這兩個橋臂的信號需滿足等大反向的條件，此時功率開關(guān)管才能正常工作，驅(qū)動電路原理圖如圖5所示.

圖5 驅(qū)動電路設(shè)計原理圖

3.2.2 逆變器電路設(shè)計

逆變器電路中最主要的部分就是功率開關(guān)管，目前較為常用的是半導(dǎo)體器件IGBT、MOSFET，這兩種器件最主要區(qū)別在于IGBT適用于低頻電路，MOSFET則適用于高頻電路，與此同時MOSFET驅(qū)動簡單，靈活性較好.針對本設(shè)計特點選取NMOS管IRF3205.該型號的器件采用了較先進(jìn)的工藝設(shè)計，轉(zhuǎn)換速度快，堅固耐用，具有較高的可靠性，同時具有極低的導(dǎo)通阻抗，這便大大降低了開關(guān)管的損耗.根據(jù)上述介紹對逆變器的硬件電路進(jìn)行設(shè)計，其設(shè)計原理圖如圖6所示.

圖6 單相全橋逆變器設(shè)計原理圖

3.3 接收電路設(shè)計

無線電能傳輸系統(tǒng)接收端電路的設(shè)計主要圍繞接收線圈的交流電信號進(jìn)行，參數(shù)信號處理的硬件電路有整流濾波電路以及Buck電路.

3.3.1 整流濾波電路設(shè)計

全波整流電路的作用是將雙極性的交流電轉(zhuǎn)化為的單極性的直流電.如圖7所示為本文的整流電路的設(shè)計原理圖，因為交流電的正負(fù)極性，全波整流電路的工作分為兩個周期，一個為正半周，另一個為負(fù)半周，當(dāng)正向?qū)魅肴ㄕ麟娐窌r，電流經(jīng)過D1、D4，此時電路工作于正半周期，電壓輸出值與雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓輸出值ulcc保持一致.當(dāng)負(fù)向?qū)魅肴ㄕ麟娐窌r，電流經(jīng)過D2、D3，此時電路工作與負(fù)半周期，電壓輸出值與D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓輸出值-ulcc保持一致.以上為全波整流電路的整個工作原理.

圖7 整流濾波電路設(shè)計原理圖

3.3.2 BUCK主電路設(shè)計

Buck電路(降壓式變換電路)，主要控制系統(tǒng)的輸出電壓，對整流濾波電路后的直流電壓進(jìn)行降壓處理.選取降壓電路芯片MC34063，7號接口Ipk為取樣端，用于觀測電路的輸出電流，當(dāng)6號、7號引腳之間電壓差大于300 mV時，就會觸發(fā)內(nèi)部過流保護(hù)，因此在設(shè)計過程中，選用較高精度的電阻R24與兩接口相連.如圖8所示為Buck電路的原理設(shè)計圖.

圖8 Buck電路設(shè)計原理圖

4 系統(tǒng)實驗與性能分析

通過Matlab軟件對系統(tǒng)的傳輸功率及傳輸效率進(jìn)行性能分析，分析結(jié)果如圖9所示.

SS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)當(dāng)線圈移動時，系統(tǒng)的輸出功率均會出現(xiàn)一個先增大后減小的現(xiàn)象，即頻率分裂現(xiàn)象，且數(shù)值的變化很大.當(dāng)橫向偏移達(dá)到5 cm，縱向偏移為10 cm時，系統(tǒng)的輸出功率幾乎為零.對比本文所設(shè)計的D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)負(fù)載線圈移動時，系統(tǒng)的輸出功率雖然會隨著偏移程度的增加而降低，但變化的范圍處于可接受的區(qū)間內(nèi)，當(dāng)橫向偏移與縱向偏移小于5 cm時，負(fù)載端的接收功率可達(dá)到14 W左右，同時有效解決了系統(tǒng)功率在設(shè)備移動過程中出現(xiàn)的頻率分裂問題.

圖9 不同偏移情況下系統(tǒng)的輸出功率對比

將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)的傳輸效率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖10所示.隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)的傳輸效率均呈現(xiàn)一個下降的趨勢，但D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的傳輸效率在線圈移動過程中均高于SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且當(dāng)偏移距離大于5 cm時，由SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)的傳輸效率幾乎為零，而本文所涉及的系統(tǒng)傳輸效率均高于60%，最高傳輸效率達(dá)到83%.

圖10 不同偏移情況下系統(tǒng)的輸出效率對比

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了以D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的無線電能傳輸系統(tǒng)，通過仿真實驗得出以如下結(jié)論：

(1)在無線電能傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸距離發(fā)生變化時，D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有較高的傳輸效率和傳輸功率，且具有較高的抗偏移能力.

(2)D-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)具有較好的傳輸性能，其傳輸效率最高為 83%，且不低于60%，同時擁有較高的參數(shù)設(shè)計自由度.