劉 哲 蘇玉剛,2 鄧仁為 錢林俊 戴 欣,2

基于雙邊LC補(bǔ)償?shù)膯坞娙蓠詈蠠o線電能傳輸系統(tǒng)

劉 哲1蘇玉剛1,2鄧仁為1錢林俊1戴 欣1,2

（1. 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400043 2. 無線電能傳輸技術(shù)國家級(jí)國際聯(lián)合研究中心 重慶 400043）

單電容耦合無線電能傳輸（SCC-WPT）消除了傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合式無線電能傳輸（EC-WPT）中交叉耦合電容的影響，更適用于二維平面移動(dòng)設(shè)備的無線供電。但現(xiàn)有的SCC-WPT系統(tǒng)由于其功率等級(jí)小、傳輸效率低限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。該文對(duì)SCC-WPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，給出一種可使系統(tǒng)輸出功率和效率大幅度提升的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法。基于提出的拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的能效特性、輸出特性和抗偏移性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在采用LCC配諧方法時(shí)輸出功率達(dá)到1.43kW，效率達(dá)到85.9%，且具有恒流特性；采用LC配諧方法時(shí)，系統(tǒng)輸出功率達(dá)到1.24kW，效率達(dá)到91.9%，且具有恒壓特性；同時(shí)兩種配諧方法都使系統(tǒng)具有較好的抗偏移特性。該文的研究成果給SCC-WPT技術(shù)提供了新的研究思路，有利于促進(jìn)SCC-WPT系統(tǒng)的機(jī)理研究和該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

無線電能傳輸（WPT） 電場(chǎng)耦合 單電容耦合 雙邊LC補(bǔ)償 輸出特性

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)是指綜合應(yīng)用電工理論、電力電子技術(shù)、控制理論與技術(shù)等，利用磁場(chǎng)、電場(chǎng)、微波等載體實(shí)現(xiàn)電能從電網(wǎng)或電池以非電氣接觸的方式傳輸至用電設(shè)備。該技術(shù)極大提升了用電設(shè)備取電的靈活性、可靠性和安全性，正逐步走入人們生活與工業(yè)制造的相關(guān)領(lǐng)域[1-4]。

目前常用的兩種無線電能傳輸方式分別為磁場(chǎng)耦合式無線電能傳輸（Magnetic Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）和電場(chǎng)耦合式無線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）。近年來，MC-WPT在理論和技術(shù)上不斷突破，面向工業(yè)化應(yīng)用也較為成熟[5-7]。電場(chǎng)在許多特性上與磁場(chǎng)相似，而且兩者在基本理論上也呈現(xiàn)出對(duì)偶性，因此國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)EC-WPT技術(shù)高度關(guān)注并展開了研究。EC-WPT系統(tǒng)采用電場(chǎng)作為電能傳輸載體，具有以下優(yōu)點(diǎn)[8-9]：耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易輕薄、形狀易變、成本低；在工作狀態(tài)時(shí)電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的絕大部分電通量分布于電極之間，對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾??；可以穿越金屬障礙傳能；在耦合機(jī)構(gòu)周圍及其之間的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流損耗甚小。

圍繞EC-WPT系統(tǒng)的研究，目前國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)已在系統(tǒng)拓?fù)鋄10-12]、系統(tǒng)建模與動(dòng)力學(xué)分析[13-14]、耦合機(jī)構(gòu)[15]、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[16-17]、能量信號(hào)并行傳輸[18]、系統(tǒng)安全性[19]和系統(tǒng)應(yīng)用[20-21]等方面取得了一系列的成果。但是這些研究成果主要是針對(duì)雙電容耦合EC-WPT系統(tǒng)，其系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)需要采用兩對(duì)金屬極板構(gòu)成完整的電氣回路，從而將電能從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍鴥蓪?duì)耦合極板往往會(huì)引起以下問題：由于EC-WPT系統(tǒng)的高驅(qū)動(dòng)頻率，耦合極板的交叉耦合隨著耦合距離的增加將更加顯著，這在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)影響了電能傳輸；難以實(shí)現(xiàn)穿越金屬傳能；兩對(duì)金屬極板嚴(yán)重制約了EC-WPT技術(shù)在二維平面移動(dòng)設(shè)備的無線供電中的應(yīng)用。

單電容耦合無線電能傳輸（Single Capacitive Coupled Wireless Power Transfer, SCC-WPT，也被稱為Single-wire Capacitance Power Transfer）是指只通過一對(duì)金屬極板且沒有直接的電氣連接回路實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的雙電容EC-WPT方式，SCC-WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)只需一對(duì)金屬極板，不僅降低了系統(tǒng)成本，還克服了傳統(tǒng)EC-WPT方式的交叉耦合電容，更有利于穿越金屬傳能，且該方式下可以把發(fā)射極板做得較大，非常適用于二維平面移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的無線供電。多設(shè)備的SCC-WPT系統(tǒng)示意圖如圖2所示。但是目前針對(duì)SCC-WPT的相關(guān)文獻(xiàn)甚少，文獻(xiàn)[22]中構(gòu)建了一種基于雙邊LCLC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)，并基于虛擬地理論對(duì)SCC-WPT系統(tǒng)進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)耦合機(jī)構(gòu)偏移時(shí)具有較低的敏感性，實(shí)現(xiàn)了3.8W電能傳輸，效率為32%。文獻(xiàn)[23]基于單邊LCLC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)SCC-WPT系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，給出了系統(tǒng)中各元件對(duì)地的阻抗模型及計(jì)算公式，并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了功率傳輸3.6W，效率為35%。文獻(xiàn)[24]中基于自電容理論，設(shè)計(jì)了一種利用導(dǎo)體自電容實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)，采用額外的兩個(gè)金屬球?qū)崿F(xiàn)了功率傳輸28.2W，效率為42.6%。

圖2 多設(shè)備的SCC-WPT系統(tǒng)示意圖

從以往的研究中可以看出，現(xiàn)有的SCC-WPT系統(tǒng)存在著輸出功率和傳輸效率較低等問題，這也使得人們對(duì)SCC-WPT技術(shù)沒有給予足夠的關(guān)注，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工程應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)上述問題，本文在傳統(tǒng)的EC-WPT技術(shù)的研究基礎(chǔ)之上，提出了一種雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)，給出了兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法。并基于提出的拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法搭建兩套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的能效特性、輸出特性和抗偏移性能進(jìn)行研究。通過以上研究旨在提升SCC-WPT系統(tǒng)的功率等級(jí)和傳輸效率，使該技術(shù)具備更高的應(yīng)用價(jià)值，通過探究SCC-WPT系統(tǒng)的輸出特性和抗偏移特性等相關(guān)規(guī)律，促進(jìn)SCC-WPT系統(tǒng)的機(jī)理研究。

1 雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)

雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，發(fā)射端由直流電源dc（也可由交流電源經(jīng)整流濾波而成）、全橋型逆變器（由4個(gè)MOSFET S1～S4組成）、發(fā)射端LC補(bǔ)償及發(fā)射極板P1組成，接收端由接收極板P2、接收端LC補(bǔ)償、全橋型整流器（由4個(gè)二極管VD1～VD4組成）、濾波電容及負(fù)載構(gòu)成，極板P1和P2形成平板電容single。從圖3中可以看出，發(fā)射端和接收端只通過一個(gè)電容相連，兩端沒有形成一個(gè)直接電氣連接的回路。

圖3 雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電工基本理論，系統(tǒng)中必定存在一個(gè)物理意義的電氣回路才能使能量傳遞至接收端，因此可將系統(tǒng)中無法測(cè)量的相關(guān)參數(shù)等效為單電容等效模塊進(jìn)行分析?；陔p邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)可等效為圖4。在EC-WPT系統(tǒng)中電感電容均采用高品質(zhì)因數(shù)的無功元件以提高系統(tǒng)的能效特性，因此系統(tǒng)無功元件中的電阻遠(yuǎn)低于電抗。為了簡(jiǎn)化分析，等效圖中忽略了電路中無功元件的內(nèi)阻以及連接線的電阻。發(fā)射端采用LC補(bǔ)償可濾掉逆變器輸出的高次諧波，同時(shí)具有升壓效果；為增加負(fù)載端的功率輸出，減小系統(tǒng)無功，接收端同樣也采用LC補(bǔ)償。直流電源提供的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，可等效為交流電源in。圖中1為電感1上的電流，2為電感2上的電流，s1和s2分別為單電容等效模塊的發(fā)射端電流和接收端電流。根據(jù)基波近似法，等效電路中可將電源in視為正弦交流電源。eq為整流器和負(fù)載L的等效電阻，等效電阻與負(fù)載電阻之間的關(guān)系式為[8]

由于目前的理論都尚不能完全詮釋該系統(tǒng)的電能傳輸機(jī)理，所提出的理論應(yīng)用于該SCC-WPT系統(tǒng)不能得到與實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果，因此針對(duì)單電容等效模塊模型的建立以及系統(tǒng)電能傳輸機(jī)理的揭示是SCC-WPT技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，有待于國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)一步研究。在機(jī)理未完全明確之前，本文基于以往的EC-WPT方面的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，從系統(tǒng)的配諧方法出發(fā)，給出兩種不同的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，旨在提升系統(tǒng)的傳輸功率和效率。

圖4 基于雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)等效圖

2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

雙邊LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有升壓效果，無功元件較少，更有利于提高系統(tǒng)的功率密度，且魯棒性更強(qiáng)[13]。在以往的研究基礎(chǔ)之上，本文基于雙邊LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，提出了兩種適用于SCC-WPT系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法：①將單電容single納入一、二次的配諧中；②在一、二次的配諧中不考慮單電容single的大小。

2.1 基于LCC配諧的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

SCC-WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)只有兩塊極板，可等效為一個(gè)耦合電容single。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究內(nèi)容，本文提出的LCC配諧方法是將single納入一、二次的配諧中，在SCC-WPT系統(tǒng)中通過電感來補(bǔ)償諧振電容和單電容single之和，如圖5所示。這種方式可通過增大諧振電容1和2達(dá)到減小補(bǔ)償電感的目的，還有利于增大系統(tǒng)的傳輸距離，減小系統(tǒng)損耗[16]。

圖5 LCC配諧方法

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)中的參數(shù)配諧遵循以下原則

式中，為系統(tǒng)工作角頻率。

通過式（2）可知，采用上述參數(shù)設(shè)計(jì)方法，1實(shí)際上補(bǔ)償了1與single的并聯(lián)容抗，因此在設(shè)計(jì)諧振電感和電容時(shí)，可以通過增大1的值來減小補(bǔ)償電感1，避免了因?yàn)轳詈想娙葜颠^小而必須串聯(lián)較大電感來補(bǔ)償無功的問題，既可以降低系統(tǒng)成本，提高功率密度，還有利于減小電感內(nèi)阻從而減小電感上的損耗。為了簡(jiǎn)化分析并滿足發(fā)射端與接收端的諧振頻率保持一致，令=1=2，則1=2，1=2。

采用LCC配諧方法設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，耦合電容single根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所確定，系統(tǒng)工作頻率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到。對(duì)于值的選取，在本文中仍采用文獻(xiàn)[16]中對(duì)值的確定方法，即把圖5的系統(tǒng)視為雙電容系統(tǒng)，通過多目標(biāo)多約束優(yōu)化算法確定值的大小。因此，根據(jù)式（2）則可以獲得雙邊LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

2.2 基于LC配諧的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

本文提出的基于LC配諧的參數(shù)設(shè)計(jì)方法就是在一、二次的配諧中不考慮單電容single大小，如圖6所示。因此雙邊LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)滿足

圖6 LC配諧方法

在系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)工作頻率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值得到；single并未參與到系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)中，其值由實(shí)際需求所確定；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常將電感1和2設(shè)計(jì)在100μH以內(nèi)，以減小電感的體積、重量和內(nèi)阻，有利于降低系統(tǒng)損耗和提高系統(tǒng)的功率密度；電感1和2確定后，根據(jù)式（3）可以確定電容1和2的參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及耦合機(jī)構(gòu)

根據(jù)上節(jié)中的兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法搭建了兩套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在LCC配諧方法下，系統(tǒng)工作頻率設(shè)置為1MHz，值設(shè)定為7，單電容耦合機(jī)構(gòu)采用300mm×300mm的正方形鋁板，間隔距離為30mm，兩塊鋁板正對(duì)形成耦合電容single。為了方便對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比，在LC配諧方法中也采用相同的耦合機(jī)構(gòu)和諧振電容1、2，通過增加1和2即可在LCC配諧方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)LC配諧方法。根據(jù)實(shí)際需求及經(jīng)驗(yàn)分別獲得兩組系統(tǒng)參數(shù)見表1。諧振電感、電容及耦合電容single由電橋（IM3536）測(cè)得，表1中電容1和2、電感1和2略有差別的原因是實(shí)際器件存在偏差。

表1 SCC-WPT系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 Parameters of the SCC-WPT system

根據(jù)圖3中的拓?fù)浼霸O(shè)定的參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖7a所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由高頻全橋逆變器、發(fā)射端LC補(bǔ)償、單電容發(fā)射極板P1、單電容接收極板P2、接收端LC補(bǔ)償、整流及濾波電路和負(fù)載組成。高頻全橋逆變器使用4個(gè)IMZ120R060M1型號(hào)的MOSFET；為了減少趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)造成的電感的損耗，電感采用0.04×1 200的高頻利茲線繞制而成；電容為高頻耐高壓電容，型號(hào)為CCG81—1U；整流器由4個(gè)GHXS030A120S型號(hào)的二極管構(gòu)成；負(fù)載電阻采用電子負(fù)載，型號(hào)為EA—ELR 9750—66。單電容耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射極板和接收極板由兩塊鋁板構(gòu)成，如圖7b所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 系統(tǒng)能效性能分析

通過對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的研究，可以進(jìn)一步了解SCC-WPT系統(tǒng)的能效特性，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，促進(jìn)SCC-WPT系統(tǒng)的機(jī)理研究。

采用表1中兩組系統(tǒng)的參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)可以得到兩種不同參數(shù)設(shè)計(jì)方法下逆變電壓in、輸入電流1以及負(fù)載電流2的實(shí)驗(yàn)波形，如圖8所示。圖8a和圖8b分別為LCC配諧方法和LC配諧方法時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，從中可以看出，兩種方法下輸入電流1都略滯后于輸入電壓in，這有利于系統(tǒng)工作在零電壓開關(guān)（Zero-Voltage Switch, ZVS）狀態(tài)[11, 16, 21]。同時(shí)可以看出，兩種方法下，輸出電流2都不是純正弦波，毛刺較大，證明電流中存在一定的諧波，如何解決系統(tǒng)輸出波形中的諧波問題有待進(jìn)一步研究。同時(shí)從圖8中兩種波形可知，采用本文所提的兩種設(shè)計(jì)方法不能使系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)零相角（Zero-Phase Angle, ZPA）。在實(shí)驗(yàn)中，可以通過略微減小電感1的值使逆變電壓in和輸入電流1相位為零，系統(tǒng)工作在ZPA狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率的最大輸出。

圖8 兩種配諧方法下uin、i1和i2的實(shí)驗(yàn)波形

圖9中給出了在LC配諧方法時(shí)，逆變電壓in和單電容耦合機(jī)構(gòu)兩端的電流s1和s2的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，耦合機(jī)構(gòu)兩端的電流不是純正弦波形，存在一定諧波，且電流大小相位不一致，電流s1超前電流s2約60°，證明系統(tǒng)在經(jīng)過單電容模塊時(shí)，存在某種電能傳導(dǎo)形式可使電能從發(fā)射端極板傳遞至接收端極板，那么不能將圖5中的單電容模塊僅僅看成一個(gè)電容，模塊中應(yīng)存在其他阻抗使系統(tǒng)形成電氣回路。對(duì)于單電容模塊的等效模型的研究將在下一步工作中展開。

圖9 LC配諧方法時(shí)uin、is1和is2的實(shí)驗(yàn)波形

為了進(jìn)一步對(duì)比系統(tǒng)的性能，將輸入電壓由50～350V變化，圖10給出了兩組參數(shù)下系統(tǒng)輸出功率隨輸入電壓改變的對(duì)比圖。根據(jù)圖10可知，在兩種不同的參數(shù)設(shè)計(jì)方法下，系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)較大的功率傳輸，隨著輸入電壓的增加，輸出功率也不斷增加。當(dāng)輸入電壓大于200V時(shí)，采用LCC配諧方法具有較高的功率增益。當(dāng)輸入電壓為350V時(shí)，采用LCC配諧方法的系統(tǒng)可輸出功率1 428W，采用LC配諧方法時(shí)系統(tǒng)輸出功率1 244.7W。相比之下，在輸入電壓大于200V后，LCC配諧方法在同樣的輸入電壓條件下可獲得更高的輸出功率。

圖10 輸出功率隨輸入電壓變化

圖11給出了兩種系統(tǒng)在負(fù)載電阻為100Ω、輸入電壓由50～350V變化時(shí)的效率。從圖中可以看出，在采用LCC配諧方法時(shí)，系統(tǒng)在輸入電壓350V時(shí)實(shí)現(xiàn)了1.43kW的功率輸出，且效率為85.9%。隨著系統(tǒng)功率的增加，系統(tǒng)中的逆變器和整流器的損耗占比不斷減小，效率不斷提高。在采用LC配諧方法時(shí)，系統(tǒng)的效率在200W后趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)在輸入電壓350V時(shí)可實(shí)現(xiàn)1.24kW的功率輸出且效率為91.9%。

圖11 系統(tǒng)效率隨輸出功率變化

3.3 系統(tǒng)輸出特性分析

當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的電流會(huì)發(fā)生改變，考慮到實(shí)驗(yàn)中元件的應(yīng)力，將輸入電壓統(tǒng)一設(shè)置為150V，負(fù)載電阻從50Ω改變至150Ω。圖12給出了兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法在不同負(fù)載電阻時(shí)的效率和功率對(duì)比圖。從圖12a中可以看出，兩種配諧方法下系統(tǒng)的效率都隨著負(fù)載電阻的增大先增加后減小，在負(fù)載為100Ω時(shí)獲得最大效率。總體而言，當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的效率變化不大。根據(jù)圖12b，在LCC配諧方法下，輸出功率隨著負(fù)載電阻L的增加而增加，整條曲線可視為線性曲線，系統(tǒng)具有恒流特性。同時(shí)，在LC配諧方法時(shí)，系統(tǒng)輸出功率隨著負(fù)載電阻的增加而減小，且整條曲線近似為反比例函數(shù)曲線，系統(tǒng)具有恒壓特性。

圖12 系統(tǒng)輸出特性

根據(jù)上述研究，兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法下系統(tǒng)都可獲得較大的功率，且皆具有較好的能效特性。采用LCC諧振方法時(shí)，單電容耦合系統(tǒng)具有更高的電流增益，系統(tǒng)中的損耗主要來自于電感的內(nèi)阻，所以LCC諧振系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更高的損耗，效率相對(duì)較低。但LCC諧振系統(tǒng)具有更高的功率增益效果，隨著電壓的不斷增加，增益越加明顯，同時(shí)系統(tǒng)具有恒流特性。采用LC配諧方法時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較高的效率，同時(shí)系統(tǒng)具有恒壓特性。

3.4 系統(tǒng)抗偏移特性分析

通過對(duì)系統(tǒng)在橫向偏移距離以及傳輸距離改變下的傳輸性能進(jìn)行研究，可進(jìn)一步探究在兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法時(shí)SCC-WPT系統(tǒng)的相關(guān)特性。耦合機(jī)構(gòu)發(fā)生偏移時(shí)，系統(tǒng)會(huì)偏離諧振狀態(tài)從而導(dǎo)致系統(tǒng)的電流增大。同樣考慮到元件的應(yīng)力，將輸入電壓統(tǒng)一設(shè)置為150V。單電容耦合機(jī)構(gòu)偏移情況下的結(jié)構(gòu)如圖13所示，耦合機(jī)構(gòu)的尺寸及偏移參數(shù)見表2。

圖13 單電容耦合機(jī)構(gòu)偏移時(shí)的結(jié)構(gòu)

表2 耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)表

Tab.2 Parameters of the coupling structure

在移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用中，耦合機(jī)構(gòu)經(jīng)常會(huì)發(fā)生偏移和距離改變的情況。圖14給出了耦合機(jī)構(gòu)偏移距離M和傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)效率和耦合電容容抗的變化曲線，耦合電容容抗的表達(dá)式為

根據(jù)式（4）可以看出耦合電容容抗與電容single的大小成反比，隨著橫向偏移距離的增加，電容single不斷減小，耦合機(jī)構(gòu)的容抗不斷增加。從圖14a中可以看出，隨著橫向偏移距離的增加，容抗不斷增加，兩種配諧方法的系統(tǒng)效率都有不同程度的下降。當(dāng)橫向偏移距離為150mm（偏移50%）時(shí)，采用LC諧振方法系統(tǒng)仍可獲得86.4%的效率，而LCC配諧方法也可獲得近78%的效率。圖14b中給出了傳輸距離從10mm變化到50mm時(shí)的系統(tǒng)效率和容抗曲線。在LC配諧方法下，系統(tǒng)效率并未有較大變化，可維持在85%以上；當(dāng)采用LCC配諧方法時(shí)，隨著容抗的增加，系統(tǒng)效率先增大后減小，在容抗為2 900Ω時(shí)取得效率最大值，效率為84.4%。

經(jīng)過上述研究，從系統(tǒng)效率出發(fā)，采用LC配諧方法的抗偏移性能明顯優(yōu)于LCC配諧方法。當(dāng)系統(tǒng)采用LC配諧方法時(shí)，橫向偏移超過50%時(shí)，系統(tǒng)可獲得86%以上的效率；在一定傳輸距離改變的范圍內(nèi)同樣不會(huì)造成效率的大幅下降，系統(tǒng)仍可維持在85%以上的效率。采用LCC諧振方法時(shí)，系統(tǒng)效率波動(dòng)較大，但仍能在橫向偏移超過50%時(shí)獲得77.8%以上的效率。

4 結(jié)論

針對(duì)目前SCC-WPT系統(tǒng)存在功率等級(jí)和傳輸效率較低，導(dǎo)致應(yīng)用受限等問題，本文提出了一種雙邊LC補(bǔ)償?shù)腟CC-WPT系統(tǒng)拓?fù)?，并給出了兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)所提出的拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法搭建了兩套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的能效特性、輸出特性和抗偏移性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法能夠大幅度提升系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率：采用LC配諧方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出功率達(dá)到1.24kW，效率達(dá)到91.9%；采用LCC配諧方法時(shí)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出功率達(dá)到1.43kW，效率達(dá)到85.9%。對(duì)于同樣的系統(tǒng)拓?fù)洌捎貌煌膮?shù)設(shè)計(jì)方法可以分別使系統(tǒng)具有恒壓特性或者恒流特性，且都具有較好的抗偏移性能，可以滿足不同的工程需求。

本文的研究成果表明SCC-WPT技術(shù)是一個(gè)非常值得關(guān)注的研究方向，有很好的應(yīng)用前景。本文的工作有利于促進(jìn)SCC-WPT技術(shù)的機(jī)理研究和該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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Research on Single Capacitive Coupled Wireless Power Transfer System with Double-Side LC Compensation

Liu Zhe1Su Yugang1,2Deng Renwei1Qian Linjun1Dai Xin1,2

1. School of Automation Chongqing University Chongqing 400043 China 2. National Center for International Research on Wireless Power Transfer Technology Chongqing 400043 China）

The single capacitive coupled wireless power transfer (SCC-WPT) could be eliminate the effects of cross-coupled capacitance in traditional EC-WPT and the SCC-WPT system is suitable for wireless power transfer of two-dimensional planar mobile devices. However, the application of the existed SCC-WPT systems is limited by the low output power and low transmission efficiency. This paper proposed a double-side LC compensation topology and two parameter design method for the SCC-WPT system, which can improve the output power and efficiency greatly. The experimental prototype is built based on the proposed topology and parameter design methods. The energy efficiency characteristics, output characteristics, and misalignment tolerance of the system are studied by experiments. The experimental prototype reaches a dc-dc efficiency of 85.9% at 1.43kW output power with the constant current when the LCC resonance method is adopted. When the LC resonance method is adopted, the experimental results achieve dc-dc efficiency of 91.9% at 1.24kW with the constant voltage. Meanwhile, the two ways have better misalignment tolerance. This paper provides a new study idea for the SCC-WPT system. The study of this paper is helpful to promote the mechanism research of the SCC-WPT system and the further development of the SCC-WPT technology.

Wireless power transfer (WPT), electric coupling, single capacitance coupling, double-side LC compensation, output characteristic

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211053

TM724

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51977015）。

2021-07-13

2021-09-09

劉 哲 男，1993年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與無線電能傳輸技術(shù)。E-mail：809632730@qq.com

蘇玉剛 男，1962年生，博士，教授，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論應(yīng)用與自動(dòng)化系統(tǒng)集成。E-mail：su7558@qq.com（通信作者）

（編輯 李冰）