郝中旭 黃曉峰 陳晨

摘？要：電能的無(wú)線傳輸技術(shù)開(kāi)辟了人類能源的另一個(gè)新時(shí)代，如利用無(wú)線電能傳輸來(lái)進(jìn)行充電的電動(dòng)汽車，以及支持無(wú)線充電的電子設(shè)備等。或許未來(lái)會(huì)進(jìn)入一個(gè)無(wú)需輸電線的時(shí)代。

為了研究在無(wú)線電能傳輸中負(fù)載發(fā)生變化時(shí)仍保證負(fù)載電流、電壓恒定，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文利用3種不同補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)保證其電流或電壓恒定。首先通過(guò)基爾霍夫電壓定律對(duì)原邊、副邊建模得到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，從而剖析達(dá)到恒流或恒壓輸出的參數(shù)條件，然后根據(jù)其實(shí)現(xiàn)恒流恒壓輸出的參數(shù)要求，確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中磁性元件的參數(shù)取值。

通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)理論的可行性。通過(guò)Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)輸出電流或者電壓波動(dòng)較小。能夠達(dá)到恒壓和恒流的要求。本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒流恒壓輸出，相比通過(guò)控制方法實(shí)現(xiàn)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電；LCC-LCC；C-LCC；LCC-C

*基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金“多功能機(jī)組絕緣故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2019JJ60060

1 緒論引言

1.1 課題的研究背景與意義

最近幾年內(nèi)，無(wú)線充電市場(chǎng)展現(xiàn)出勃勃生機(jī)，不斷有新的產(chǎn)品出現(xiàn)[1]，包括手機(jī)、手表、汽車等等設(shè)備都在朝著無(wú)線充電的方向發(fā)展。無(wú)線充電技術(shù)也拉開(kāi)了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。尤其對(duì)于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，相比燃油車更加低碳環(huán)保，加上國(guó)家大力扶持，近些年發(fā)展迅猛。就動(dòng)力方面而言，絕大多數(shù)燃油車比不上電動(dòng)汽車，開(kāi)辟了對(duì)動(dòng)力有需求的購(gòu)車族市場(chǎng)。但目前為止電動(dòng)汽車發(fā)展遇到的瓶頸主要是續(xù)航及電池充電，本文主要就電動(dòng)汽車充電問(wèn)題展開(kāi)討論，在充電過(guò)程中，由于不同環(huán)境需求不同，其充電過(guò)程可能需要無(wú)線充電裝置的恒流或恒壓輸出[2]。但是如今研究多關(guān)注于無(wú)線傳輸中功率大，效率高等問(wèn)題[3-4]，對(duì)于如何保證在負(fù)載變化時(shí)負(fù)載的恒壓或恒流提及很少。因此，本文通過(guò)LCC-C無(wú)線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)使無(wú)線充電裝置在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)具有系統(tǒng)恒壓輸出或系統(tǒng)恒流輸出能力。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如今，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電裝置的恒流和恒壓輸出的途徑基本有如下兩種：一種方法是采用控制方式；另一種方法是采用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式。采用控制方式又分為確定占空比調(diào)節(jié)頻率暨變頻控制[5]和確定頻率調(diào)節(jié)占空比[6]兩種。

采用控制方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓或恒流輸出的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度比較快，采用調(diào)頻或調(diào)節(jié)占空比的方式可以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度比較高，因此采用控制方式一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，同時(shí)其技術(shù)也比較成熟。但它也有不可避免的缺點(diǎn)，由于采用了控制方式，所使用的器件必然增多，必然會(huì)增加整體系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，也需要額外設(shè)計(jì)其他電路，且涉及到變頻控制，有時(shí)會(huì)引起頻率分裂[3]。

采用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒流或恒壓輸出，一般是通過(guò)對(duì)電感、電容等磁性元件的選型以及構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般拓?fù)浞譃榇?lián)-串聯(lián)[7]、串聯(lián)-并聯(lián)[8]、并聯(lián)-串聯(lián)[9]、并聯(lián)-并聯(lián)[10]四種，但由于應(yīng)用于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)時(shí)，這四種基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男适艿礁边呑杩褂绊懕容^大，本文采用對(duì)串并聯(lián)-串聯(lián)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式降低副邊阻抗的影響，使無(wú)線充電裝置在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)具有系統(tǒng)恒壓輸出或系統(tǒng)恒流輸出能力，同時(shí)又減少了復(fù)雜電路帶來(lái)的不穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)建模

建立LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中頻率、磁性元件數(shù)學(xué)模型，尋找使系統(tǒng)輸出恒壓或輸出恒流的條件，對(duì)磁性元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 LCC- C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原邊包括電感L11、電容C11及電容C12、發(fā)射線圈L12。副邊包括電感L22、電容C21接收線圈L21。電路依靠發(fā)射線圈和接收線圈的相互耦合來(lái)進(jìn)行電能傳輸。其工作頻率為85 kHz，互感為66 μH。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出，采用LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出可將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)電壓源。為方便分析系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可先將傳輸線圈進(jìn)行解耦，具體解耦模型如圖2。

圖2所示為L(zhǎng)CC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)解耦模型，對(duì)其回路使用基爾霍夫電壓定律可得原邊和副邊的電壓方程為：

3 系統(tǒng)仿真

3.1 LCC- C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在本題中主要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出。

當(dāng)負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)負(fù)載電壓輸出波形如圖3。

由圖3可知，當(dāng)負(fù)載為5 V時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在10.85 V左右，系統(tǒng)輸出電壓值較低。

當(dāng)負(fù)載電阻為8 Ω時(shí)，負(fù)載電壓輸出波形如圖4。

可以看出，負(fù)載電壓穩(wěn)定在11.4 V左右，電壓穩(wěn)定性較好，波動(dòng)較小，符合目標(biāo)要求。

負(fù)載電阻為8 Ω時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸入電流電壓波形如圖5。

可以看出，效率比較高。由圖4和圖5可得，當(dāng)負(fù)載為8 Ω時(shí)，系統(tǒng)效率應(yīng)為80%。可見(jiàn)系統(tǒng)功率比較高。

當(dāng)負(fù)載電阻為31.6 Ω時(shí)，負(fù)載電壓輸出波形如圖6。

由圖3、圖4和圖6可知，相比C-LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在低壓時(shí)穩(wěn)壓效果較差，在負(fù)載電阻由8～31.6 Ω變換的過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載電阻為8 Ω時(shí)，負(fù)載輸出電壓穩(wěn)定在11.4 V，當(dāng)負(fù)載電阻為31.6 Ω時(shí)，負(fù)載輸出電壓穩(wěn)定在11.8 V。負(fù)載電壓變化了0.4 V，電壓波動(dòng)小于5%。設(shè)計(jì)符合目標(biāo)要求，但整體穩(wěn)壓效果比C-LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)較差，傳輸功率較高。

負(fù)載電阻為31.6 Ω時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸入電流電壓波形如圖7。

可以看出，LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)效率比較高。由圖5和圖7可得，當(dāng)負(fù)載為31.6 Ω時(shí)，系統(tǒng)效率應(yīng)為74.06%。系統(tǒng)的效率相對(duì)于8 Ω時(shí)降低了。

4 結(jié)論

電能的無(wú)線傳輸技術(shù)開(kāi)辟人類能源的另一個(gè)新時(shí)代。如利用無(wú)線電能傳輸充電的電動(dòng)汽車，以及支持無(wú)線充電的電子設(shè)備等?；蛟S未來(lái)會(huì)進(jìn)入一個(gè)無(wú)需輸電線的時(shí)代。

為了研究在無(wú)線電能傳輸中負(fù)載發(fā)生變化時(shí)仍保證負(fù)載電流、電壓恒定，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文利用3種不同補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)保證其電流或電壓恒定。首先通過(guò)基爾霍夫電壓定律對(duì)原邊、副邊建模得到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，從而剖析達(dá)到恒流或恒壓輸出的參數(shù)條件，然后根據(jù)其實(shí)現(xiàn)恒流恒壓輸出的參數(shù)要求，確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中磁性元件的參數(shù)取值。

在LCC-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的L11與C11諧振且副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的L21與C21諧振時(shí)，負(fù)載上電壓輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)，且負(fù)載電壓輸出的大小僅由輸入電壓和C11決定，在給定輸入電壓的情況下，通過(guò)設(shè)定C11的值可得到需要的恒定輸出電壓大小，但其穩(wěn)壓效果比C-LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)差，且在低壓時(shí)穩(wěn)壓的效果較差，但是其傳輸效率比較高。

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