樂文韜，呂 卓，劉華東

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

軌道交通要求具有高安全性、高平順性、高穩(wěn)定性、高可靠性及高精確度等特點。要確?！拔甯摺钡膶崿F(xiàn)，要點之一是處理好受電弓與接觸網(wǎng)之間的關系，解決高速運行過程中的受流問題。列車在高速運行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關系會受到摩擦、離線、振動、打弧和環(huán)境惡劣等多方面挑戰(zhàn)；而無線電能傳輸?shù)墓╇姺绞?，其弓網(wǎng)間允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，可以從根本上避免由于受電弓滑板在接觸網(wǎng)導線上滑動取電而造成的材料磨損問題，即使在覆冰、大風等惡劣天氣下，依然能夠穩(wěn)定、可靠地供電。鑒于無線電能傳輸技術的諸多優(yōu)點，其已成為軌道交通領域近年來國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)的研究熱點[1-2]。

國外對無線電能傳輸技術在軌道交通中的應用研究起步較早。2009 年，德國在試驗線上完成了對TR09 型磁浮列車無線供電裝置的測試，在40 mm 弓網(wǎng)間隙下可傳輸?shù)碾娔芄β蕿?50 kW，系統(tǒng)運行頻率為20 kHz[3]。2013 年，加拿大龐巴迪公司旗下的PRIMOVE 品牌推出了針對有軌電車的無線電能傳輸技術解決方案，其輸出功率可達100～250 kW，最高效率可達92%[4]。2014 年，韓國科學技術學院和韓國鐵路研究院研究人員將無線電能傳輸功率等級提升至800 kW，空氣間隙5 cm，傳輸效率可達82.7%。國內(nèi)這方面的研究起步稍晚，天津工業(yè)大學楊慶新教授研究團隊[5]、中科院電工所史黎明教授團隊[6]、西南交通大學麥瑞坤團隊[7]都對無線供電系統(tǒng)的建模與設計、級聯(lián)型大功率諧振逆變器、動態(tài)調(diào)諧方法等理論方面進行了大量的研究工作。

目前國內(nèi)關于無線電能傳輸?shù)难芯看蠖嗉性谑謾C、電動汽車[8-10]等中小功率應用上，在軌道交通等需要大功率無線電能傳輸?shù)膽梅矫骢r有人涉足。本文針對大功率無線電能傳輸所面臨的低效率、高輻射等問題，提出了一種多線圈耦合的LCL-S 拓撲，通過諧振電路設計，實現(xiàn)發(fā)射端高頻逆變器的零電壓開通，能夠減小系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率；其次，在電磁耦合機構(gòu)優(yōu)化設計上，提出一種8 字形線圈結(jié)構(gòu)，以減少耦合機構(gòu)漏磁通，有效降低無線電能傳輸系統(tǒng)對外輻射干擾，從而提高系統(tǒng)對外的安全性。最后，針對所提方法，搭建了150 kW 雙線圈耦合的樣機進行相關實驗驗證。

1 多線圈耦合的LCL-S 拓撲分析及軟開關技術

1.1 LCL-S 拓撲分析

在軌道交通供電應用中，無線供電電源的主要作用是給車輛提供穩(wěn)定的直流母線。對于無線電能傳輸系統(tǒng)的LCL-S 型補償電路拓撲[11-12]，通過選擇合適的電路參數(shù)，可以實現(xiàn)輸出直流電壓不隨負載變動而變化，適用于軌道交通應用。忽略線圈內(nèi)阻，LCL-S 型電路拓撲如圖1 所示。圖中，LR為一次側(cè)前置串聯(lián)電感器，CP為一次側(cè)并聯(lián)電容器，LP為一次側(cè)線圈自感，LS為二次側(cè)線圈自感，CS為二次側(cè)串聯(lián)電容器，M為一次側(cè)、二次側(cè)線圈間的互感，RL為負載，Uin為系統(tǒng)輸入電壓。

LCL-S 型補償拓撲結(jié)構(gòu)的等效電路如圖2 所示。圖中，jωMIp為二次側(cè)感應電壓，Iin為系統(tǒng)輸入電流，Ip為一次側(cè)線圈電流。

圖2 LCL-S 型拓撲等效電路Fig. 2 Equivalent circuits of LCL-S topology

由式（1）、式（2）及式（5）可知，二次側(cè)電路折算到一次側(cè)的反映阻抗為

由式（6）可知，在諧振狀態(tài)下，Zr表現(xiàn)為純阻性，此時系統(tǒng)中LR和CP的設置如下：

結(jié)合式（3）、式（6）～式（8）可得到諧振狀態(tài)下系統(tǒng)的輸入阻抗：

通過式（9）可知，系統(tǒng)呈現(xiàn)純阻性，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)輸入。

另外，結(jié)合式（4）、式（5）、式（7）和式（8），分別得到系統(tǒng)一次側(cè)電流IP和二次側(cè)輸出電壓Uo：

由式（10）和式（11）可知，在系統(tǒng)處于諧振的工況下，一次側(cè)輸入電流只與Uin有關，當輸入電壓不變時，一次側(cè)輸入電流保持恒定，這樣能保證系統(tǒng)的發(fā)射端時刻工作在最大激磁狀態(tài)下；系統(tǒng)輸出電壓只受電路輸入電壓和松耦合變壓器互感的影響，當輸入電壓及變壓器互感不變時，輸出電壓保持不變。

1.2 多接收線圈效率提升分析

受車體空間的限制，接收線圈尺寸結(jié)構(gòu)會遠小于發(fā)射線圈的，導致系統(tǒng)互感偏小，能量傳輸效率及功率低下。為提升系統(tǒng)的傳輸效率，提高系統(tǒng)的輸出功率，同時也為減小單接收線圈在大功率傳輸過程中過高的溫升，在軌道交通應用中，無線電能傳輸系統(tǒng)一般采用多接收線圈的耦合結(jié)構(gòu)[13]。

LCL-S 型單接收線圈的電路拓撲如圖3 所示。圖中，R1和R2分別為一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的內(nèi)阻。

圖3 單接收線圈電路Fig. 3 Single receiving coil circuit

由式（11）可得系統(tǒng)輸出功率：

由式（2）和式（3）可得

結(jié)合式（12）和式（13），可以得到單接收線圈的耦合機構(gòu)系統(tǒng)效率：

通 常， 線 圈 內(nèi) 阻 遠 小 于 等 效 負 載RL， 且ω2M2>>RL，因此可以認為

圖4 多接收線圈電路與單接收線圈電路之間的關系Fig. 4 Relationship between multiple-receiving-ciol circuit and single receiving coil circuit

多接收線圈的效率η′為

結(jié)合式（15）和式（16）可知，多線圈耦合機構(gòu)的效率要高于單線圈耦合機構(gòu)的。實際應用中，選取接收線圈數(shù)量時還需要綜合考慮變流器利用率、裝置成本及系統(tǒng)控制的復雜度等因素。

1.3 SiC 全橋逆變器軟開關設計

對于無線電能傳輸系統(tǒng)，由于耦合機構(gòu)一次側(cè)、二次側(cè)分離，其耦合系數(shù)僅在0.1～0.5 之間，遠小于傳統(tǒng)變壓器的耦合系數(shù)。為提升系統(tǒng)的能量傳輸能力，提高系統(tǒng)工作頻率是十分必要的，但是這會急劇增加逆變器的開關損耗，而軟開關技術能夠有效降低開關損耗。

為實現(xiàn)高頻逆變器零電壓開通，整個系統(tǒng)應呈弱感性，即逆變器輸出電壓超前輸出電流；同時為了確保LCL-S 電路拓撲一次側(cè)線圈恒流、二次側(cè)輸出恒壓的特性，由1.1 節(jié)可知，應保證前置串聯(lián)電感與一次側(cè)并聯(lián)電容，二次側(cè)線圈與二次側(cè)串聯(lián)電容在工作頻率下分別處于諧振狀態(tài)。因此當一次側(cè)線圈電感、二次側(cè)線圈電感、前置串聯(lián)電感、一次側(cè)并聯(lián)電容及二次側(cè)串聯(lián)電容大小恒定時，可在一次側(cè)線路中在串入電容器CLT，通過調(diào)節(jié)其容值來改變系統(tǒng)整體阻抗特性，使得逆變器處于軟開關狀態(tài)，并且使得系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1，從而提高有功功率輸出。當二次側(cè)處于完全諧振狀態(tài)時，二次側(cè)等效到一次側(cè)的阻抗呈純阻性，此時系統(tǒng)一次側(cè)等效電路如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)一次側(cè)等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of the primary side of the system

此時，逆變器輸出電流與輸出電壓之間的比值為

當前置串聯(lián)電感器與并聯(lián)電容器處于諧振狀態(tài)時，式（17）可被化簡為

設逆變器輸出電流滯后輸出電壓的角度為θ，則

由式（19）可以看出，當LR，LP和R都恒定時，可以通過調(diào)節(jié)CLT的容值來改變輸入電流滯后輸入電壓的角度，從而改變逆變器的關斷電流。關斷電流ioff與開關管并聯(lián)結(jié)電容充放電時間T1與二極管續(xù)流時間Tc關系如下：

式中：Coss——結(jié)電容；ΔU——結(jié)電容充放電階段端電壓變化值；Ipk——逆變器輸出電流峰值。

綜上可知，通過改變CLT容值，可以改變開關管并聯(lián)結(jié)電容充放電時間及二極管續(xù)流時間，進而改變逆變器開關狀態(tài)，不僅使得逆變器實現(xiàn)零電壓開通，同時能夠合理控制系統(tǒng)功率因數(shù)，提高系統(tǒng)功率輸出。

2 8 字形耦合線圈設計

在大功率軌道交通應用中，耦合線圈的漏磁大小、抗偏移能力等性能是被關注的重點。目前最常用的耦合線圈為圓形線圈[14-15]，其結(jié)構(gòu)簡單，耦合系數(shù)相對較高；但是漏磁場相對較大，抗偏移能力差。為提升耦合機構(gòu)的抗偏移能力以及降低漏磁場水平，提出了一種8 字形線圈結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 兩種耦合線圈結(jié)構(gòu)Fig. 6 Two kinds of coupling coil structures

利用Maxwell 有限元仿真軟件對兩種線圈分別進行建模分析，對比兩種線圈的相關性能。兩種線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 兩種線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Structure parameters of the two kinds of coupling coils

2.1 耦合系數(shù)

基于表1 所示參數(shù)，經(jīng)Maxwell 仿真得到兩種線圈電感參數(shù)，具體如表2 所示。可以看出，圓形線圈的互感大于8 字形線圈的，而自感小于8 字形線圈的。因此在相同面積、相同線圈匝數(shù)的情況下，圓形線圈的耦合性能要優(yōu)于8 字形線圈的。

表2 兩種線圈電感仿真結(jié)果Tab. 2 Simulated indutance results of the two kinds of coils

2.2 漏磁

在相同線圈電流工況下，經(jīng)仿真得到的兩種耦合線圈磁感應強度分布如圖7 所示?？梢钥闯?，圓形線圈的磁場分布比較分散，漏磁比較大；而8 字形線圈的磁場分布相對來說比較集中，大部分集中在中間部分，整個線圈的兩側(cè)幾乎不會向外散發(fā)漏磁，漏磁明顯小于圓形線圈的。

圖7 兩種線圈周圍的磁感應強度Fig. 7 Magnetic induction intensity around the two kinds of coils

2.3 抗偏移能力

耦合線圈偏移包含水平和垂直兩個方向上的偏移。在水平方向上，由于圓形線圈的方向具有一致性，其水平偏移只需要考慮一次側(cè)、二次側(cè)線圈的圓心偏移。對于8 字形線圈來說，存在水平縱向偏移和水平橫向偏移（圖8）。

圖8 8 字形線圈水平偏移的兩種形式Fig. 8 Two forms of horizontal offset of figure 8-shaped coil

對圓形線圈的水平偏移以及8 字形的水平縱向偏移和水平橫向偏移分別進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9 所示?？梢钥闯?，8 字形線圈做橫向偏移時互感變化最快，當偏移距離達到180 mm 時，互感降為0；圓形線圈水平偏移時，互感變化速度處于8 字形線圈兩種形式偏移之間，當偏移距離達到360 mm 時，互感減小為0；8 字形線圈縱向偏移的互感變化程度最小，抗偏移能力最強。

圖9 兩種線圈的互感隨水平偏移變化曲線Fig. 9 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with horizontal offset

兩種耦合線圈在不同垂直距離下，互感量的變化如圖10 所示。由曲線數(shù)據(jù)可知，在5～15 cm 的垂直距離區(qū)間內(nèi)，8 字形耦合線圈的互感變化相對于圓形線圈來說更大。圓形線圈對垂直距離上的變化更不敏感。

圖10 兩種線圈的互感隨垂直距離變化曲線Fig. 10 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with vertical distance

綜上分析可得，圓形線圈的耦合系數(shù)要大于8 字形線圈的；但在抗偏移及漏磁方面，8 字形線圈明顯要優(yōu)于圓形線圈，更適合軌道交通的應用場景。

3 實驗驗證

為驗證系統(tǒng)LCL-S 主電路拓撲的恒壓特性、SiC 逆變器軟開關技術設計方法的正確性以及8 字形線圈在對外磁輻射方面的優(yōu)越性，搭建了150 kW 無線電能傳輸原理樣機（圖11）。該樣機的高頻逆變器采用基于1 700 V/300 A SiC MOS 開關管的全橋結(jié)構(gòu)，高頻整流器采用SiC SBD（肖特基二極管）整流結(jié)構(gòu)，線圈采用1 對2 結(jié)構(gòu)（1 個發(fā)射線圈，2 個接收線圈）。具體電路拓撲如圖12 所示，各參數(shù)符號及其數(shù)值大小如表3所示，耦合機構(gòu)電感參數(shù)如表4 所示。

圖11 150 kW 原理樣機Fig. 11 150 kW principle prototype

圖12 耦合機構(gòu)一次側(cè)/二次側(cè)電路各元件參數(shù)Fig. 12 Parameters of each element in the primary/secondary side circuit of the coupling mechanism

表4 耦合機構(gòu)電感Tab. 4 Inductances of the coupling mechanism

3.1 軟開關實驗

為驗證本文所提軟開關設計方法的有效性，進行軟開關實驗。根據(jù)器件手冊可知，在Uin=400 V 的工況下，下降沿脈沖驅(qū)動延時Tdoff=640 ns，器件響應延時Tdelay=323 ns，上升沿脈沖驅(qū)動延時Tdon=387 ns。為使系統(tǒng)呈弱感性，選擇一次側(cè)串聯(lián)電容器容值為150 nF，計算得到T1=178.5 s，Tc=561.7 s。選擇死區(qū)時間為1 μs，在該工況下得到逆變器開關管實驗波形如圖13 所示。

圖13 軟開關實驗波形Fig. 13 Experimental waveforms of soft switch

由圖13 可知，上管結(jié)電容放電完成之后，下管驅(qū)動脈沖到來，高頻逆變器實現(xiàn)零電壓開通。說明當LR，LP和R都恒定時，可以通過調(diào)節(jié)CLT的容值來改變逆變器的關斷電流，從而使得逆變器實現(xiàn)零電壓開通。

3.2 系統(tǒng)恒壓輸出實驗

在直流電源電壓恒定的情況下，負載分別選擇5Ω, 10Ω, 15Ω 和20Ω，實驗數(shù)據(jù)如表5 所示。可以看出，輸出電壓在小范圍內(nèi)波動，故可認為負載大小對輸出電壓沒有影響，即系統(tǒng)保持恒壓特性。

表5 恒壓特性實驗結(jié)果Tab. 5 Experimental results of the system with constant voltage characteristics

在150 kW 樣機耦合機構(gòu)氣隙為5 cm，電阻為5 Ω，開關頻率為50 kHz 輸入電壓的工況下，系統(tǒng)輸入功率達到150 kW，系統(tǒng)電壓及電流如表6 所示。

表6 150 kW 樣機功率實驗結(jié)果Tab. 6 Power test results of the 150 kW prototype

利用示波器記錄逆變器輸出電壓、輸出電流、一次側(cè)線圈電流以及二次側(cè)線圈電流波形如圖14 所示?？梢钥闯?，兩組二次側(cè)電流與逆變器輸出電流的相位完全一致，且兩組二次側(cè)電流大小幾乎相等，它們之和約等于逆變器輸出電流。

圖14 150 kW 樣機功率實驗波形Fig. 14 Power test waveforms of the 150 kW prototype

3.3 電磁輻射測量對比實驗

針對第2 節(jié)所提出的8 字形線圈比圓形線圈具有更優(yōu)越的對外磁輻射特性，搭建圓形線圈結(jié)構(gòu)無線電能傳輸樣機，在相同輸入電壓等級下，測量兩種線圈的對外磁輻射。圓形線圈繞制方式如圖15 所示，樣機電感參數(shù)如表7 所示。

圖15 兩種線圈繞制方式Fig. 15 Two methods of coil winding

表7 圓形線圈樣機電感參數(shù)Tab. 7 Inductances of circular coil prototype

150 kW 原理樣機和圓形線圈樣機對比實驗工況為：輸入電壓550～600 V，負載7.5 Ω，運行頻率50 kHz，輸入功率40～45 kW。在實驗過程中，用手持式電磁場測試儀檢測兩個樣機的電磁輻射情況，測量結(jié)果如表8 所示。可以看出，隨著測量距離的增加，電磁輻射逐漸減少；并且在不同高度、不同長度下，8 字形線圈的漏磁都要小于圓形線圈的。

表8 兩樣機電磁輻射測量結(jié)果Tab. 8 Electromagnetic radiation measurement results of the two prototypes

4 結(jié)語

本文針對軌道交通無線電能傳輸技術應用時存在的傳輸功率大、系統(tǒng)損耗高、對外輻射強問題，提出了一種多線圈耦合LCL-S 電路拓撲以及8 字形線圈優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

（1）LCL-S 電路拓撲能夠提供穩(wěn)定的直流母線電壓，適合軌道交通應用。在考慮性價比和控制復雜度的情況下，通過適當增加接收線圈個數(shù)，能夠進一步提高系統(tǒng)效率；

（2）軟開關技術的實現(xiàn)，不僅能夠減小開關器件的損耗，還能避免線路的高頻振蕩；

（3）在軌道交通應用中，8 字形線圈設計能夠減小鋼軌間的漏磁通分布，有效減少系統(tǒng)對外電磁輻射。

目前，國內(nèi)外對于無線電能傳輸技術的研究還處于不斷發(fā)展和完善的階段，尤其在動態(tài)供電方面，如何提高動態(tài)供電的系統(tǒng)效率、減小系統(tǒng)對外磁輻射、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性這些問題都亟待解決，高效抗偏移耦合機構(gòu)的設計、供電導軌模式及分段投切技術、系統(tǒng)多參數(shù)動態(tài)調(diào)諧等技術還需要更深入的研究，這也是我們下一步的研究方向。