孫躍，張歡，唐偉，吳傳林，蔣睿健，周國(guó)超

（重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400044）

LCL型ICPT系統(tǒng)電路拓?fù)浞治黾皡?shù)設(shè)計(jì)方法

孫躍，張歡，唐偉，吳傳林，蔣睿健，周國(guó)超

（重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400044）

為提高復(fù)合補(bǔ)償型感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率，豐富系統(tǒng)分析方法，運(yùn)用3種不同的方法分析了LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)。首先根據(jù)二端口理論，對(duì)LCL-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)建模和分析，給出了固定原邊線圈電流大小的參數(shù)配置方法；再根據(jù)交流阻抗分析法給出了LCL-P補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；然后通過(guò)能量守恒定律分析了LCL網(wǎng)絡(luò)對(duì)電流的放大作用，給出了LCL-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的參數(shù)配置方法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述3種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和參數(shù)配置方法的有效性。

感應(yīng)耦合電能傳輸；二端口電路；交流阻抗；拓?fù)浞治?；參?shù)設(shè)計(jì)

引言

感應(yīng)耦合電能傳輸ICPT（Inductively coupled power transfer）技術(shù)是一種主要通過(guò)原邊和副邊線圈之間的耦合磁場(chǎng)，以無(wú)直接接觸的方式，實(shí)現(xiàn)電能從電源傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)可移動(dòng)電氣設(shè)備的新型電能傳輸技術(shù)［1-4］。因電源和電氣設(shè)備之間不存在直接電氣接觸，ICPT系統(tǒng)具有安全、便捷、易維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)［5-7］。目前，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車無(wú)線充/供電、體內(nèi)植入設(shè)備無(wú)線充電、家用電器及水下和礦下無(wú)線供電等場(chǎng)合［2，8-10］。

ICPT系統(tǒng)一般包括高頻電能變換、諧振補(bǔ)償和電磁耦合等環(huán)節(jié)，電磁耦合環(huán)節(jié)的耦合系數(shù)較小，為了提高副邊線圈拾取到的電能，需要加入諧振環(huán)節(jié)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率。同時(shí)，高頻交變電能的產(chǎn)生要求開(kāi)關(guān)器件頻繁開(kāi)通和關(guān)斷，需要使系統(tǒng)工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。故一般使系統(tǒng)諧振頻率和軟開(kāi)關(guān)頻率保持一致，以提高系統(tǒng)整體輸出功率和效率。

目前最常見(jiàn)的補(bǔ)償方式是在原、副邊線圈上串聯(lián)或者并聯(lián)電容。根據(jù)不同的組合方式，可以簡(jiǎn)單描述為串串、串并、并串和并并4種方式［11-13］，原理容易理解，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用。但是作為單級(jí)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，它們都存在諧振容量較小，開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力較大的缺點(diǎn)［12，14］。為了克服以上不足之處，文獻(xiàn)［15］提出了具有LCL型復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的ICPT系統(tǒng)。

為了提高系統(tǒng)輸出功率，豐富建模方法，簡(jiǎn)化電路分析過(guò)程，本文分別運(yùn)用二端口理論分析方法、交流阻抗分析方法和能量守恒分析方法對(duì)原邊采用LCL補(bǔ)償，副邊分別采用串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償和LCL補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)進(jìn)行分析，并給出了3種不同補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

1　LCL-S型ICPT系統(tǒng)

典型的ICPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于本文主要研究LCL型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，故省去原邊整流部分，并在原邊采用全橋逆變環(huán)節(jié)以簡(jiǎn)化分析過(guò)程。同時(shí)，由于本文不涉及DC/DC變換，所以在副邊補(bǔ)償后直接接入整流橋和負(fù)載電阻。具體的電路結(jié)構(gòu)和分析過(guò)程將在下文依次敘述。

圖1　ICPT系統(tǒng)基本原理Fig.1 Basic principle of ICPT system

首先研究LCL-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ICPT系統(tǒng)，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。原邊采用LCL復(fù)合補(bǔ)償方式，副邊采用串聯(lián)補(bǔ)償方式。

圖2　LCL-S型ICPT系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of LCL-S type ICPT system

圖2中，輸入直流電源由工頻交流電整流濾波得到，再經(jīng)過(guò)全橋逆變環(huán)節(jié)得到高頻交流電，將其注入LCL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波和補(bǔ)償，使原邊線圈中流過(guò)高頻交流電。為了減小趨膚效應(yīng)和電磁干擾，原邊線圈中應(yīng)流過(guò)高頻正弦電流。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，處于同一空間中的副邊線圈中會(huì)產(chǎn)生同樣頻率的感應(yīng)電壓。經(jīng)過(guò)LC串聯(lián)補(bǔ)償和全橋整流濾波之后為電氣設(shè)備提供電能。

根據(jù)功率守恒定律，全橋整流及其后的電路可以等效表示為req，且其大小可以表示為

當(dāng)副邊補(bǔ)償電容滿足一定條件時(shí)，根據(jù)反射阻抗理論，副邊電路在原邊電路中產(chǎn)生的反射阻抗呈純阻性，其條件為

忽略原、副邊能量線圈的內(nèi)阻，考慮全橋逆變輸出的基波正弦分量，此時(shí)原邊電路等效電路如圖3所示。由于電路中存在較多的儲(chǔ)能元件，建模分析較為復(fù)雜。為直觀體現(xiàn)電路分析過(guò)程，引入二端口電路理論對(duì)原邊等效電路進(jìn)行建模分析。

圖3　LCL網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of LCL network

為提高系統(tǒng)輸出電壓和功率，一般使系統(tǒng)輸入阻抗呈純阻性，工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。故將圖3中二端口網(wǎng)絡(luò)表示為T參數(shù)模型，即

式中A、B、C和D分別表示為

當(dāng)副邊反射阻抗等效為Req時(shí)，整個(gè)LCL-S型ICPT系統(tǒng)的輸入阻抗可以表示為

令式（8）中分子和分母的虛部為0，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足式（9）時(shí)，可得LCL-S型ICPT系統(tǒng)的輸入阻抗呈純阻性，且與等效電阻Req的大小無(wú)關(guān)，即與負(fù)載電阻的大小無(wú)關(guān)。二端口理論分析LCL網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)便、直觀，且根據(jù)電路理論對(duì)不同二端口參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，還可以直接得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流關(guān)系。

根據(jù)ICPT系統(tǒng)感應(yīng)耦合原理，副邊感應(yīng)電壓在系統(tǒng)工作頻率和原副邊互感系數(shù)不變的情況下，僅與原邊線圈電流有關(guān)，即

故探究上述式（9）參數(shù)配置方式下原邊電流的決定因素。由分析可知，原邊線圈中流過(guò)的電流為

當(dāng)式（11）中的參數(shù)滿足式（9）時(shí)，可以簡(jiǎn)化為

顯然，此時(shí)原邊線圈電流與等效電阻Req無(wú)關(guān)。系統(tǒng)體現(xiàn)出原邊恒流特性。

2　LCL-P型ICPT系統(tǒng)

當(dāng)副邊電路采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)等效電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4　LCL-P型ICPT系統(tǒng)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of LCL-P type ICPT system

由于副邊并聯(lián)模式在諧振時(shí)不能等效為純電阻，使用二端口網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)難以找出比較優(yōu)良的參數(shù)配置方式。

鑒于本文旨在提供更多的分析方法和可行的參數(shù)設(shè)計(jì)方式，故使用交流阻抗分析法對(duì)圖6中的電路進(jìn)行分析。整個(gè)電路的輸入阻抗可以分別表示如下。

副邊整體阻抗為

副邊電路在原邊產(chǎn)生的反射阻抗為

整個(gè)系統(tǒng)的輸入阻抗為

將式（13）、式（14）代入式（15），令其虛部為0，可得當(dāng)原邊補(bǔ)償電容Cp滿足以下條件時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的輸入阻抗呈純阻性，系統(tǒng)在所設(shè)計(jì)的頻率處于諧振狀態(tài)，條件為

3　LCL-LCL型ICPT系統(tǒng)

由第1節(jié)和第2節(jié)分別介紹的原邊采用LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，副邊分別采用串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的ICPT系統(tǒng)電路分析方法和參數(shù)設(shè)計(jì)方案可見(jiàn)，副邊采用串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，在副邊負(fù)載電阻的大小發(fā)生改變時(shí)，其原邊線圈中的電流在所設(shè)計(jì)的工作頻率保持恒定。當(dāng)副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)，原邊補(bǔ)償電容按照式（16）設(shè)計(jì)，則整個(gè)系統(tǒng)的輸入阻抗呈純阻性，系統(tǒng)在所設(shè)計(jì)的頻率點(diǎn)達(dá)到完全諧振。

圖5　LCL-LCL型ICPT系統(tǒng)等效電路Fig.5 Equivalent circuit of LCL-LCL type ICPT system

對(duì)原、副邊同時(shí)采用LCL型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的ICPT系統(tǒng)進(jìn)行分析，整個(gè)系統(tǒng)的等效電路如圖5所示。

圖5中，原邊可以看作L1與Cp1之間形成諧振，Lp與Cp2之間形成諧振。由于電容Cp1和Cp2直接并聯(lián)，可以直接相加等效為Cp。同理可知，副邊Ls與Cs1形成諧振，L2與Cs2形成諧振，Cs1和Cs2直接相加等效為Cs。其諧振頻率可以表示為

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時(shí)，電感和電容交換無(wú)功功率，以原邊為例，可表示為

化簡(jiǎn)式（18），則可知LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償電感大小以達(dá)到提升電流的效果。具體電流與補(bǔ)償電感之間的關(guān)系可以表示為

同理可得，在副邊采用同樣參數(shù)設(shè)計(jì)方法的情況下，電流與補(bǔ)償電感關(guān)系可以表示為

為了充分利用原邊采用LCL型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)能夠減小對(duì)開(kāi)關(guān)管應(yīng)力，放大電流和選頻的作用，設(shè)計(jì)電流放大倍數(shù)為2，諧振頻率為40 kHz。根據(jù)上述方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1　LCL-LCL型ICPT系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)Tab.1 Optimization parameters of LCL-LCL type ICPT system

原邊電感的設(shè)計(jì)方式使得圖5中I.P是I.in的2倍，副邊電感的設(shè)計(jì)方式使得圖5中I.out是I.S的2倍。其目的在于減小開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力的同時(shí)能夠盡量提升整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流，增大輸出功率。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

LCL型ICPT系統(tǒng)在原邊電路采用LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的情況下，副邊可以采用串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。每種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和參數(shù)設(shè)計(jì)方案。為了驗(yàn)證文中給出的電路分析和參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)搭建了仿真電路和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。限于篇幅，此處不再給出仿真波形，直接將實(shí)驗(yàn)波形給出。

本文耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1所示，圖1中原邊LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中L1設(shè)計(jì)為99.56 μH，Cp設(shè)計(jì)為0.159 2 μF。副邊LC串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中Cs設(shè)計(jì)為0.109 2 μF。此時(shí)輸入直流電壓幅值為24 V。

圖6為L(zhǎng)CL-S型ICPT系統(tǒng)的輸出波形。圖6中uCp為原邊補(bǔ)償電容兩端的電壓，uout為負(fù)載電阻兩端的電壓，iLp為流過(guò)原邊諧振線圈的電流，電流上存在一些毛刺，這是電流探頭不夠精密引起的。由圖6可知，按照本文所述方式配置參數(shù)，可以保證在負(fù)載切換的情況下，原邊電流保持不變。證明了第1節(jié)的分析方法和參數(shù)配置方法的有效性。理論上輸出電壓的幅值會(huì)保持恒定，但是因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的參數(shù)、器件不夠理想，所以有一些變化。

圖6　LCL-S型ICPT系統(tǒng)輸出波形Fig.6 Output waveforms of LCL-S type ICPT system

圖7為L(zhǎng)CL-P型ICPT系統(tǒng)的輸出波形，輸入電壓為直流6 V。僅將LCL-S的原邊補(bǔ)償電容更改為0.320 2 μF。圖中uin為全橋逆變輸出電壓。由圖可見(jiàn)，根據(jù)第3節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法配置系統(tǒng)參數(shù)可使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。

圖7　LCL-P型ICPT系統(tǒng)輸出波形Fig.7 Output waveforms of LCL-P type ICPT system

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)LCL-LCL型ICPT系統(tǒng)參數(shù)，可得系統(tǒng)輸出波形如圖8所示，輸入電壓為直流6 V。由圖可見(jiàn)，根據(jù)第3節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可使LCL網(wǎng)絡(luò)具有放大輸入電流的作用，按照本文參數(shù)配置方法，放大倍數(shù)應(yīng)為2倍，同時(shí)電流相位相差180°，但是由于實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)不夠理想，所以存在一定誤差。但是已經(jīng)能夠看出本文理論與實(shí)際相符。

圖8　LCL-LCL型ICPT系統(tǒng)輸出波形Fig.8 Output waveforms of LCL-LCL type ICPT system

5　結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了具有不同副邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的LCL型復(fù)合補(bǔ)償型ICPT系統(tǒng)。利用二端口電路理論分析了LCL-S型ICPT系統(tǒng)的輸入阻抗關(guān)系，給出了固定原邊線圈中流過(guò)電流大小的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；運(yùn)用交流阻抗分析法給出了LCL-P型ICPT系統(tǒng)的補(bǔ)償電容配置方法；通過(guò)能量守恒原理分析了LCL網(wǎng)絡(luò)對(duì)電流的放大作用，給出了整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置方法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性。本文對(duì)LCL型ICPT系統(tǒng)的電路特性分析和參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Topology Analysis and Parameter Design Methods of LCL Type ICPT System

SUN Yue，ZHANG Huan，TANG Wei，WU Chuanlin，JIANG Ruijian，ZHOU Guochao
（College of Automation，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

To improve the output power of inductively coupled power transfer system with composite compensation and enrich the analyzing methods，three different methods are used to analyze ICPT system with LCL compensation structure.Firstly，according to the two-port circuit principle，LCL-S type compensation structure is modeled and analyzed，the parameter optimization method which has fixed current in primary coil is given too.Then，the parameter configuring way of LCL-P type topology is given based on AC impedance analysis.After that，the current amplification function of LCL network is analyzed and parameter optimization method of LCL-LCL type structure is given according to conservation law of energy.Finally，the effectiveness of three different compensation structures and parameters configuration methods is certified by experiments.

inductively coupled power transfer；two-port circuit；alternating current impedance；topology analysis；parameter design

孫躍

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.1

TM 724

A

孫躍（1960-），男，博士，教授，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用、電力電子系統(tǒng)非線性建模、分析與控制，E-mail：syue06@cqu.edu.cn。

張歡（1992-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用、電力電子技術(shù)及其應(yīng)用，E-mail：zh_seu@163.com。

唐偉（1989-），男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)，E-mail：bangdiwei@163.com。

吳傳林（1991-），男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)，E-mail：497891603@qq.com。

蔣睿?。?991-），男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)，E-mail：15215193069@163.com。

周國(guó)超（1992-），男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)，E-mail：mrrosezhou@gmail.com。

2015-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277192）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51277192）