合諧振型非接觸電能雙向傳輸模式

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（50807057）；重慶市國際科技合作計劃項目（CSTC，2011GGHZA40001）

作者簡介： 戴欣（1978-），男，副教授，博士，研究方向為非接觸電能傳輸技術，E-mail：toybear@vip.sina.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0487-08DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.015

摘要：

針對單級諧振的雙向電能傳輸方式所存在的諧振容量小及器件應力大等缺點，提出一種基于LCL復合諧振的對稱拓撲雙向電能傳輸模式.建立了系統的交流阻抗模型，推導了系統輸入輸出增益，并分析了不同負載下系統的頻率響應及不同負載與耦合系數下輸出功率特性.在此基礎上，給出一種基于能量注入和自由振蕩雙工作模式切換的輸出電壓調節方法，并給出一種切換占空比控制方法以保證輸出電壓的恒定.仿真與實驗數據表明：基于雙工作模式的雙向電能傳輸模式能有效地實現能量雙向傳輸，輸出的電壓紋波始終小于0.3 V，同時該模式還具有相對簡單、易于實現的特點.

關鍵詞：

LCL；雙向；非接觸；電能傳輸

中圖分類號： TM712文獻標志碼： A

非接觸電能傳輸技術是一種新型電能傳輸模式.該技術以高頻電磁場為媒介完成電能的無接觸傳輸，可以克服傳統直接電氣接觸方式所帶來的靈活性差及安全性低的問題，從而賦予用電設備更高的靈活性與可靠性[1-9].

在傳統的電能傳輸方式中，由于系統結構的限制，只能實現單向的能量傳遞.這在一些需要能量回饋或雙向電能補給的場合顯得尤其不便.文獻[10]提出了一種雙向電能傳輸方式，該方式借助于單級諧振的對稱拓撲實現能量的雙向傳輸.由于采用對稱結構，原、副邊的工作模式可相互進行切換，從而動態完成能量的雙向傳輸過程.

然而，在采用單級諧振的雙向電能傳輸模式中，由于單級諧振的容量較小，在運行過程中容易受到負載及各種環境參數影響而導致功率傳輸能力及效率下降.而且，單級諧振模式容易在逆變電路中產生較大的電壓、電流應力[11-15].這些缺點在一定程度上阻礙了其在大功率雙向電能傳輸技術中的應用.

針對這種問題，本文提出基于LCL型復合諧振的雙向電能變換拓撲，該拓撲將LCL型諧振引入到雙向電能拓撲中，其特點是：（1） 具有比單級LC諧振更大的諧振容量；（2） 負載適應性強，諧振頻率漂移小；（3） 在同等功率等級下，開關器件的電壓、電流應力更小.因此，這種雙向電能傳輸模式更能適應于電動車供電場合，使其更具高效性.

本文針對所提出的LCL型雙向電能拓撲，詳細介紹了其工作原理，并建立了系統的交流阻抗模型，分析了系統的輸入/輸出增益及輸出功率特性.在此基礎上引入工作模式切換占空比，提出基于能量注入及自由振蕩模式的輸出電壓控制方法，最后利用仿真及實驗結果驗證了其可行性.

1

LCL型雙向電能變換拓撲工作原理

2

系統傳遞函數分析

3

系統性能分析

實現雙向能量傳輸一個重要的問題是如何保證輸入至輸出的電壓具有足夠大的增益，以滿足不同的負載需求.借助于式（8）所給出的系統傳遞函數，對系統進行增益分析.所采用的參數如表1所示.

4

輸出控制模式

為實現對輸出電壓的調節，本文采用能量注入與自由振蕩結合的雙工作模式進行控制.因為非接觸電能傳輸系統是一種典型的能量耗散系統.其中能量注入模式通過外界向能量傳輸系統注入能量，以補充其能量耗散.其工作原理與第1節所述能量傳輸過程相同，如圖5所示.

而能量自由振蕩模式主要用于在系統能量出現過剩時（表現為輸出電壓超過參考值），利用該模式切斷外界能量注入，而讓系統中存儲的能量維持系統輸出，從而耗散掉部分多余的能量，其工作原理如圖6所示

5

仿真分析

為驗證上述LCL型雙向高頻交流電能變換拓撲及控制方法的有效性，以下基于Matlab環境進行仿真分析.

電能傳輸模式設計為從P端傳輸至S端（正向傳輸），系統仿真時間設置為0～60 ms，當系統進入穩態后，P端諧振電容電壓與S端諧振電容電壓的波形（30.00～30.10 ms）如圖8所示.

以上仿真結果表明，對于LCL型雙向電能傳輸拓撲，無論是正向傳輸還是反向傳輸，總可以通過雙工作模式的切換，使得輸出電壓保持恒定，所產生的諧振電壓和諧振電流的波形畸變處于能被接受的范圍內，有利于提高能量傳輸效率，并降低對外界的EMI（electro magnetic interference）干擾.

6

實驗研究

7

結論

本文提出了一種基于LCL復合諧振型的雙向非接觸電能傳輸模式.該模式可以有效地增加雙向電能傳輸系統的諧振容量，提升其功率傳輸能力.論文通過建立系統阻抗模型，分析了系統的傳輸增益.通過系統頻率響應及輸出功率曲線完成系統性能分析.提出一種基于工作模式占空比的輸出電壓控制方法，保證了輸出電壓的恒定.該技術可廣泛應用于大功率非接觸電能傳輸系統，如電動車和車間搬運車輛.基于該技術可實現電動車動態電能回饋，保證系統能量傳輸的高效性.

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