李 俊， 徐 啟， 薄翠梅， 錢小明

（南京工業(yè)大學(xué)a.電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院；b.教學(xué)事務(wù)部，南京211816）

0 引 言

電能供給方式的安全性、可靠性、靈活性等方面的要求越來越高。無線電能傳輸系統(tǒng)可以提高電能供給的靈活性、安全性和可靠性，并可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，在無線傳輸在手機(jī)無線充電、海爾“無尾”電視、電動(dòng)汽車無線充電、美國太空太陽能148 km無線輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用［1-3］。

感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)以無直接電氣連接的方式，利用磁場近場耦合將電能從發(fā)射端傳輸至接收端，實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸傳輸。由于該供電方式具有較高的靈活性及安全性，廣泛應(yīng)用于水下、礦井等特殊場合。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對ICPT技術(shù)做了許多積極的研究［4-7］。本文通過在ICPT系統(tǒng)的發(fā)射側(cè)和接收側(cè)分別施加補(bǔ)償電路，提高ICPT系統(tǒng)的傳輸功率和效率，并建立了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

1 感應(yīng)耦合電能無線傳輸系統(tǒng)

ICPT技術(shù)是基于磁場近場耦合理論利用法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的無直接電氣連接傳輸?shù)墓╇娂夹g(shù)。目前，ICPT技術(shù)主要應(yīng)用于中、大功率場合，如電動(dòng)汽車無線充電、海底網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電及礦井照明等。由于該供電方式具有較高的靈活性、安全性及可靠性，近年來吸引了眾多學(xué)者積極投身于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究，主要包括ICPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究、系統(tǒng)傳輸性能的優(yōu)化等［8-9］。

LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)主要包括整流濾波環(huán)節(jié)、高頻逆變環(huán)節(jié)、發(fā)射側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、電磁耦合環(huán)節(jié)、接收側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、高頻整流濾波環(huán)節(jié)和負(fù)載等［10-12］，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)耦合電能無線傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺的建立

LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要包括系統(tǒng)主電路和系統(tǒng)控制電路，建立的LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)平臺上對LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈恒流特性、互感優(yōu)化指標(biāo)的可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)研究LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)測試曲線

3.1 發(fā)射線圈恒流測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的發(fā)射線圈的恒流特性，分別在3種不同傳輸距離和不同負(fù)載的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：① 負(fù)載4.15 Ω，傳輸距離5 cm；② 負(fù)載4.15 Ω，傳輸距離10 cm；③ 負(fù)載2.4 Ω，傳輸距離10 cm。上述3組實(shí)驗(yàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。由圖3（a）和（b）可知，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的發(fā)射線圈電流對傳輸距離的變化不敏感，幾乎保持不變；同樣地，依據(jù)圖3（b）和（c）可得，發(fā)射線圈電流對負(fù)載的變化也不明顯，基本維持恒定［13-14］。此外，由圖3可知，在傳輸功率降低時(shí)，系統(tǒng)交流輸入電流會發(fā)生畸變；這是由于電流中基波分量的所占比例降低造成的［15］。

圖2 LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

3.2 距離特性測試

對建立的LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別對傳輸距離為5、6、7、8、9和10 cm進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，繪制了樣機(jī)傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系圖，如圖4所示，可以看出，傳輸功率和傳輸效率都隨傳輸距離的增大而減小。

圖3 發(fā)射線圈恒流測試曲線

圖4 傳輸功率（效率）與傳輸距離關(guān)系圖

4 結(jié) 語

通過在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射側(cè)和接收側(cè)分別施加補(bǔ)償電路，提高ICPT系統(tǒng)的傳輸功率和效率，建立了以DSP28335為核心的LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。首先，對LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈恒流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別在不同負(fù)載、不同傳輸距離條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)發(fā)射線圈電流基本恒定；然后，對本文所提出的互感參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)的可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了理論分析的正確性；最后，對所建立的LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出以下結(jié)論：

（1）ICPT系統(tǒng)發(fā)射線圈電流在變負(fù)載和變傳輸距離的影響下幾乎保持恒定，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

（2）優(yōu)化互感值選取適當(dāng)?shù)幕ジ兄悼梢赃_(dá)到電流增益與傳輸效率的優(yōu)化匹配，從而使ICPT系統(tǒng)運(yùn)行于期望狀態(tài)。