張 珂

應(yīng)用研究

基于雙邊LCC的感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

張 珂

（海裝駐青島地區(qū)第一軍事代表室，山東青島 266102）

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為電源、耦合器以及負(fù)載的通道，是無線電能傳輸系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。本文針對(duì)現(xiàn)階段感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中常用的雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小無線電能傳輸系統(tǒng)的無功損耗，提升整體效率。首先介紹了4種基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，然后引出雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)?；谲涢_關(guān)特性，對(duì)雙邊LCC的諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。

感應(yīng)耦合電能傳輸 雙邊LCC軟開關(guān) 參數(shù)設(shè)計(jì)

0 引言

無線電能傳輸技術(shù)具備工作性能穩(wěn)定、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，且有效避免了有線插拔方式存在磨損等問題，是一種安全可靠的能量供給方式。感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)利用電磁耦合原理，實(shí)現(xiàn)能量從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的無接觸的傳遞。在ICPT系統(tǒng)中，收發(fā)線圈間存在較大間隙，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)能量傳輸效率較低。因此需要加入補(bǔ)償電容，通過諧振的方式提高原副邊耦合度，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)原副邊能量傳輸效率的提升[1～3]。，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)LCC、LCL被提出，其中LCL網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)原邊電流恒定，且具有一定的濾波功能，并且可以減小傳遞至副邊的諧波；但是LCL網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置不靈活，原邊自感值與諧振自感值需相同。因此將LCL補(bǔ)償拓?fù)涞淖愿写?lián)一個(gè)補(bǔ)償電容，使得自感與諧振電感無關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置靈活。雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)不僅具有LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)稱且完成相同，參數(shù)設(shè)計(jì)過程簡單，因此雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于磁耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)[4～10]。

1 四種基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)無線電能傳輸系統(tǒng)原副邊補(bǔ)償電容以及電感的連接形式，可將其分為如下四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 ICPT系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的四種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在ICPT系統(tǒng)中，對(duì)于四種基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)研究較為深入，因此對(duì)這四種雙邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)歸納如表1所示。

表1 四種基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)

根據(jù)表1不難發(fā)現(xiàn)串并補(bǔ)償以及并串補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的原邊補(bǔ)償電容與耦合器耦合系數(shù)相關(guān)，同時(shí)并補(bǔ)償其諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與線圈互感以及負(fù)載相關(guān)。而無線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)丁且接收端負(fù)載參數(shù)極易變化，因此對(duì)于串并、并串、并并補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)極易失諧導(dǎo)致無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率下降[11～15]。因此輸入阻抗角為零的串-串補(bǔ)償應(yīng)用更加廣泛。

2 基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)

無線電能傳輸系統(tǒng)中S-S補(bǔ)償?shù)闹C振網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)其傳輸性能與負(fù)載參數(shù)以及耦合系數(shù)無關(guān)，但是S-S諧振結(jié)構(gòu)的傳輸功率隨耦合器互感系數(shù)的增大而減小，因此串-串補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)大功率環(huán)境下的高效傳輸。因此高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，其中雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程簡單，原邊電流恒定，因此得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 基于雙邊LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的ICPT系統(tǒng)等效電路

由于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)為三階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，若進(jìn)行整體分析相當(dāng)復(fù)雜，因此通過疊加原理對(duì)其電路各個(gè)部分進(jìn)行分析。將U和U的響應(yīng)單獨(dú)分析，虛線部分代表無電流流過。U單獨(dú)作用時(shí)等效電路如圖3所示，U單獨(dú)作用時(shí)等效電路如圖4所示。

圖3 UAB單獨(dú)作用時(shí)等效電路

圖4 Uab單獨(dú)作用時(shí)等效電路

不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙邊LCC系統(tǒng)，當(dāng)原邊輸入為恒壓源，副邊輸出為恒流源。同時(shí)在Simulink中搭建雙邊LCC仿真平臺(tái)，系統(tǒng)原副邊電壓電流波形如圖5所示。

由圖5可知在基于雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的ICPT系統(tǒng)中原邊發(fā)射線圈電壓超前副邊接收線圈電壓90度，同時(shí)其原邊電壓也超前副邊電流90度。

3 參數(shù)優(yōu)化與軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)于無線電能傳輸系統(tǒng)中諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行有利于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。在無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行些許調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器的零電壓關(guān)斷或者零電流關(guān)斷。全橋逆變器的零電壓開通可以減小開關(guān)損耗。MOSFET兩端存在結(jié)電容致使其開關(guān)管兩端電壓上升較慢，進(jìn)而有利于減小關(guān)斷損耗。由此可知ZVS更加適配于無線電能傳輸系統(tǒng)全橋逆變器。

對(duì)于無線電能傳輸中MOSFET實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)需要使其諧振網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)感性，即電壓超前電流。但是如果將全橋逆變器的感性成分增加太多，會(huì)導(dǎo)致無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移。因此需要對(duì)其諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)調(diào)整范圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電壓些許超前于電流即可實(shí)現(xiàn)逆變器的ZVS。

圖6 原邊逆變器軟開關(guān)輸出波形

因此需要確保MOSFET的關(guān)斷電流在一個(gè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)確保MOSFET的階段電容實(shí)現(xiàn)充放電，故實(shí)現(xiàn)ZVS的條件可以表示為：

關(guān)斷電流又可以表示為：

4 結(jié)論

由于雙邊LCC無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率與線圈互感成正比，因此在大功率無線電能傳輸中較為適用。同時(shí)基于雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的無線電能傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載無關(guān)的輸出，且通過對(duì)于雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，使其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)弱感性有助于實(shí)現(xiàn)逆變器的零電壓開關(guān)。

[1] 趙爭(zhēng)鳴, 張藝明, 陳凱楠. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013(03): 2-13.

[2] 黃學(xué)良, 譚林林, 陳中,等. 無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(010): 1-11.

[3] 范興明, 莫小勇, 張?chǎng)? 無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(10): 2584-2600.

[4] 高鍵鑫, 吳旭升, 高嵬,等. 基于LCC的磁諧振無線電能傳輸發(fā)射端補(bǔ)償技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016(z1).

[5] 王懿杰, 姚友素, 劉曉勝,等. 無線電能傳輸用S/CLC補(bǔ)償拓?fù)浞治鯷J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(022): 34-41.

[6] Li S, Li W, Deng J, et al. A Double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(6): 2261-2273.

[7] Wei Z, Mi C C. Compensation topologies of high-power wireless power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(6): 4768-4778.

[8] 吉莉, 王麗芳, 廖承林,等. 基于LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的副邊自動(dòng)切換充電模式無線電能傳輸系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(S1): 38-44.

[9] 景妍妍, 曲小慧, 韓洪豆. 基于可調(diào)增益恒流源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的磁場(chǎng)耦合無線電能傳輸LED驅(qū)動(dòng)電路[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016(z1).

[10] Wang Y, Lin F, Yang Z, et al. Analysis of the influence of compensation capacitance errors of a wireless power transfer system with SS topology[J]. Energies, 2017, 10(12): 2177.

[11] 吳鑫杰. 感應(yīng)耦合電能傳輸與副邊輸出控制研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2020.

[12] 羅博, 陳麗華, 李勇, 麥瑞坤. 基于滑?？刂频母袘?yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)輸出電壓控制研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(23): 235-242.

[13] 姜龍斌, 史黎明, 范滿義, 張發(fā)聰, 殷正剛. 感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)輸出功率的分析和控制[J]. 電工電能新技術(shù), 2020, 39(05): 1-9.

[14] 黃曉生, 陳為. 用于磁感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)的新型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(18): 3020-3026.

[15] 劉玉昆. 無線電能傳輸系統(tǒng)功效特性與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)關(guān)系研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014.

Parameter selection of soft switching for inductively coupled power transmission system based on bilateral LCC

Zhang Ke

(School of Electrical Engineering, Naval Engineering University, Qingdao 266102, Shandong, China)

TM154

A

1003-4862（2022）01-0041-03

2021-04-19

張珂（1979-）工學(xué)碩士，主要研究方向船用電工技術(shù)與電氣設(shè)備。E-mail: 957297910@qq.com