劉　闖　郭　贏　葛樹昆　李　航　蔡國(guó)偉（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院　吉林　132012）

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具備恒壓特性的SP/S感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)

劉闖郭贏葛樹昆李航蔡國(guó)偉
（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院吉林132012）

在感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要系統(tǒng)輸出電壓保持恒定。采用一種基于串并/串（SP/S）諧振補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的相對(duì)位置確定并采用定頻控制時(shí)，該結(jié)構(gòu)在全負(fù)載范圍內(nèi)具備接收端輸出恒壓特性。同時(shí)分析了隨著橫向偏移的變化，系統(tǒng)輸出恒壓增益的變化特性。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)6.6 kW、20 kHz定頻控制的感應(yīng)式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所采用的SP/S諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和有效性。

感應(yīng)式無線電能傳輸串并/串定頻恒壓

0　引言

感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)一般由發(fā)射端和接收端兩部分組成，通過高頻磁場(chǎng)耦合，透過較大的氣隙，將電能從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍?，2］。與有線電能傳輸相比，無線電能傳輸除了具有使用便捷、安全，沒有插拔電線時(shí)的電弧現(xiàn)象和觸電危險(xiǎn)等特點(diǎn)，還能夠適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境（比如雨雪天氣、礦井、加油站等［1-3］）。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常要求感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)接收端輸出電壓保持恒定，而且為了提高系統(tǒng)的功率傳輸能力以及多端接收的能力，還要求系統(tǒng)采用定頻控制且保持發(fā)射端線圈電流恒定（有效值不變，恒流）。為了滿足上述要求，目前采用的方法主要是引入閉環(huán)控制，包括發(fā)射端控制和接收端控制。發(fā)射端控制主要有增加DC-DC變換電路、移相控制等，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端恒頻恒流。接收端控制主要有增加 Buck或Boost型DC-DC變換電路等，實(shí)現(xiàn)接收端輸出電壓恒定（恒壓）［3-5］。雖然傳統(tǒng)的閉環(huán)控制也能達(dá)到較好的效果，但閉環(huán)控制的引入會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性降低等問題。文獻(xiàn)［6，7］以發(fā)射端并聯(lián)諧振、接收端串聯(lián)諧振的感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)為研究對(duì)象，在特定的參數(shù)邊界條件下，能自然實(shí)現(xiàn)發(fā)射端線圈恒流、接收端輸出恒壓的特性，但該方法不能在全功率范圍內(nèi)具備此特性。另外，文獻(xiàn)［6，7］中使用電流型逆變電路，直流側(cè)需要串聯(lián)大電感保證恒流特性，系統(tǒng)體積大，效率低。

本文采用了一種基于串并/串（Series Parallel/ Series，SP/S）諧振補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用電壓型逆變器，直流側(cè)不需要串聯(lián)大電感，系統(tǒng)體積小、功率密度大、效率高。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端相對(duì)位置確定并采用定頻控制時(shí)，該結(jié)構(gòu)在全負(fù)載范圍內(nèi)具備接收端輸出恒壓特性，而且系統(tǒng)發(fā)射端逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通（Zero-Voltage-Switching，ZVS）。同時(shí)分析了隨著橫向偏移的變化，系統(tǒng)輸出恒壓增益的變化特性。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)6.6 kW、20 kHz定頻控制的感應(yīng)式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所采用的SP/S諧振補(bǔ)償式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和有效性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分析

1.1典型的感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)

圖1為典型的感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)首先通過AC-DC整流電路將電網(wǎng)的交流電變換成直流；然后通過DC-AC逆變電路將直流逆變成高頻（10～150 kHz）的交流電；經(jīng)過發(fā)射端諧振補(bǔ)償電路后，發(fā)射端線圈中流過高頻電流，進(jìn)而激發(fā)高頻強(qiáng)磁場(chǎng)，接收端線圈通過電磁感應(yīng)得到感生電動(dòng)勢(shì)（AC）；最后，通過接收端諧振補(bǔ)償電路和AC-DC整流電路將交流電變換成直流給負(fù)載供電。

圖1　典型的感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)Fig.1　Typical wireless power transfer system

1.2感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

發(fā)射端線圈串并聯(lián)（SP）混合諧振補(bǔ)償、接收端串聯(lián)（S）諧振補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中Lp、C1、C1s、L1構(gòu)成發(fā)射端串并聯(lián)混合諧振補(bǔ)償電路，C2和L2構(gòu)成接收端串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路，M為發(fā)射端與接收端互感，U0為電壓型逆變器輸出電壓；Ip、I1和I2分別為逆變器輸出、發(fā)射端線圈、接收端線圈電流。

圖2　感應(yīng)式無線電能傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Topolgy for inductive power transfer system

1.3發(fā)射端特性分析

發(fā)射端等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中Rr為接收端反饋電阻。因?yàn)榻邮斩瞬捎么?lián)補(bǔ)償時(shí)，反饋到發(fā)射端阻抗表現(xiàn)為純阻性，所以可用Rr表示，詳細(xì)分析在1.4節(jié)。電容C1s用來補(bǔ)償一部分發(fā)射端線圈自感L1，調(diào)節(jié)C1s的值就可以調(diào)節(jié)發(fā)射端線圈上的恒定電流值的大?。?］。定義固有諧振頻率ω0和經(jīng)過C1s補(bǔ)償后的發(fā)射端線圈自感L1為L(zhǎng)，則

圖3　發(fā)射端等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3　Transmitting terminal equivalent topolgy

定義開關(guān)頻率ω與諧振頻率ω0的歸一化值ωn= ω/ω0，發(fā)射端品質(zhì)因素Q1=ω0Lp/Rr，L和Lp的比例λ=L/Lp。電壓型逆變器輸出電壓U·0為方波電壓，通過傅里葉級(jí)數(shù)展開為

則逆變器輸出電流電壓相角差可表示為

其大小與λ的關(guān)系為

為了實(shí)現(xiàn)逆變器開關(guān)管的ZVS，逆變器輸出電流相位要稍滯后于電壓相位，使λ略小于1，逆變器開關(guān)管就可實(shí)現(xiàn)ZVS［8，9］。

1.4接收端特性分析

接收端等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，其中Voc為接收端線圈通過電磁感應(yīng)得到的感生電動(dòng)勢(shì)。

為純阻性，且輸入阻抗與負(fù)載電阻相等。負(fù)載電壓為

將式（9）代入式（11）可得

定義負(fù)載輸出電壓與電壓U0的比值為電壓增益G

當(dāng)發(fā)射端和接收端相對(duì)位置確定，即M值確定時(shí)，結(jié)合1.3節(jié)的分析，從式（12）可看出，負(fù)載電壓保持恒定，不隨負(fù)載變化而變化；電壓增益G只與互感值M呈正比例關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端發(fā)生橫向偏移時(shí)，系統(tǒng)互感M減小，電壓增益G隨之降低，即系統(tǒng)輸出電壓減小。

圖4　接收端等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4　Receiving terminal equivalent topolgy

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，搭建了一個(gè)直流輸入電壓為400 V，頻率為20 kHz的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用常見的圓形電磁耦合結(jié)構(gòu)［9，10］，磁心、線圈等參數(shù)是在文獻(xiàn)［9，10］的基礎(chǔ)上，并對(duì)線圈的最優(yōu)中心位置做了進(jìn)一步優(yōu)化而得到的，其3-D模型和實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5　3-D模型和實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5　3-D model and experimental setup

發(fā)射端和接收端縱向距離為200 mm且無橫向偏移時(shí)，根據(jù)LCR儀器（GWINSTEK LCR-8101G）測(cè)試得到發(fā)射端和接收端線圈自感L1、L2和互感M分別為149 μH、149 μH和34.24 μH。感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)最大傳輸功率為

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置中，受磁心飽和磁通密度以及線圈端電壓限制，發(fā)射端線圈電流I1限制在40 A，接收端品質(zhì)因數(shù)限制在4［11-15］。結(jié)合第2部分理論分析，由式（1）、式（3）、式（8）計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1　Experimental parameters

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為發(fā)射端和接收端縱向距離為200 mm時(shí)，互感值M隨橫向偏移的實(shí)測(cè)變化規(guī)律，隨著橫向偏移的增大，系統(tǒng)互感M逐漸減小。根據(jù)式（13）可知，電壓增益G也將隨橫向偏移的增大逐漸減小。

圖7為發(fā)射端和接收端縱向距離為200 mm，橫向偏移分別為 0 mm和 160 mm時(shí)，由頻譜分析儀（VENABLE Model 3120）掃描得到的不同負(fù)載情況下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線。從圖7可看出，頻率為20 kHz（設(shè)計(jì)頻率），發(fā)射端和接收端相對(duì)位置確定時(shí)，系統(tǒng)電壓增益G相同即系統(tǒng)輸出電壓恒定，與負(fù)載大小無關(guān)；系統(tǒng)橫向偏移160 mm與無橫向偏移時(shí)相比，系統(tǒng)電壓增益G明顯減小。考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓可能需要始終保持恒定或需要變壓，比如給電動(dòng)汽車充電，只需要在整流電路后增加一級(jí)簡(jiǎn)單的DC-DC變壓電路即可。

此外，從圖7也可看出，在設(shè)計(jì)頻率20 kHz時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射端和接收端電壓相角差為180°，此時(shí)電磁耦合裝置與變壓器作用完全相同，不消耗無功功率，只起到功率傳遞的作用，發(fā)射端只需要提供有功功率。

圖8為系統(tǒng)在無橫向偏移時(shí)（下同），不同負(fù)載功率等級(jí)下，接收端輸出電壓和發(fā)射端線圈電流I1實(shí)測(cè)曲線。從圖中可看出，系統(tǒng)輸出電壓基本保持恒定，最大值193 V與最小值188 V變化率不足3%；發(fā)射端線圈電流基本保持在40 A，變化率不足0.5%。

圖8　發(fā)射端線圈電流I1和輸出電壓實(shí)測(cè)曲線Fig.8　The experimental transmitting coil curret I1and receiving terminal output voltage

圖9為系統(tǒng)發(fā)射端逆變器輸出電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可看出，輸出電流相位稍滯后于電壓，逆變器實(shí)現(xiàn)了ZVS。這也從側(cè)面證明接收端只消耗純有功，反饋到發(fā)射端阻抗為純阻性，與1.4節(jié)分析一致。

圖9　逆變器輸出電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.9　The voltage and current waveforms of the inverter

圖10為系統(tǒng)DC-DC實(shí)測(cè)效率（FLUKE-N5K Power Analyzer）隨負(fù)載功率變化曲線，從圖中可看出，隨著負(fù)載功率的增大系統(tǒng)效率逐漸增大。如圖11所示，系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率6.6 kW時(shí)，DC-DC效率為93.8%。

圖10　系統(tǒng)DC-DC效率實(shí)測(cè)曲線Fig.10　The experimental overall DC to DC efficiency

圖11　最大輸出功率Fig.11　The maximum output power

3　結(jié)論

本文采用一種基于SP/S諧振補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)射端和接收端的相對(duì)位置確定并采用定頻控制時(shí)，該結(jié)構(gòu)在全負(fù)載范圍內(nèi)具備接收端輸出恒壓特性、發(fā)射端線圈恒流特性，系統(tǒng)發(fā)射端逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通（ZVS），且隨著橫向偏移的增大，系統(tǒng)輸出恒壓增益逐漸減小。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)6.6 kW、20 kHz定頻控制的感應(yīng)式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所采用的SP/S諧振補(bǔ)償式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和有效性。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)輸出功率為6.6 kW時(shí)，DC-DC效率達(dá)到93.8%。

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劉闖男，1985年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮庸β首儞Q與無線電能傳輸技術(shù)。

E-mail:victorliuchuang@163.com（通信作者）

郭贏男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)。

E-mail:200828045@163.com

The SP/S Inductive Power Transfer System with Constant Voltage Characteristics

Liu ChuangGuo YingGe ShukunLi HangCai Guowei
（Electrical Engineering CollegeNortheast Dianli UniversityJilin132012China）

In practical applications of the inductive power transfer（IPT）system，the constant output voltage is typically required.In this paper，the series-parallel/series（SP/S）compensation resonant topology is adopted for the IPT system.With the fixed frequency driving and no changing distance between the transmitting and receiving terminal，the output voltage can maintain constant under full load range.In addition，the changing characteristics of the output constant voltage gain is also discussed with the horizontal misalignment.Finally，a 6.6 kW WPT system with 20kHz fixed frequency is setup to verify the feasibility and effectiveness of the adopted SP/S compensation resonant topology.

Inductive power transfer，series parallel/series（SP/S），fixed frequency，constant voltage

TM46

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307021）、吉林省自然科學(xué)基金（20140101076JC）和吉林省教育廳技術(shù)研究項(xiàng)目（2015238）資助。

2015-04-01改稿日期 2015-06-17