基于可控電感的感應電能傳輸系統效率優化

吳　靜,王智慧

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621999；2.重慶大學自動化學院，重慶400030)

基于可控電感的感應電能傳輸系統效率優化

吳靜1,王智慧2

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621999；2.重慶大學自動化學院，重慶400030)

針對ICPT通用供電平臺不同功率等級負載變化時系統效率降低的問題，設計一種改進型可控電感，使得不同功率等級的負載均達到效率最優。基于交流阻抗分析法建立電壓型ICPT系統的效率模型，得出不同負載條件下，效率達到最優的最優電感值，并由此得出效率最優時原邊發射線圈的最優匝數。通過控制所設計的原邊可控電感，調節不同功率下的最優線圈匝數，以保證不同功率等級系統的工作效率均滿足要求或達到最優。仿真結果驗證了理論分析的正確性和該效率優化策略的有效性。

電力電子；感應耦合電能傳輸(ICPT)；可控電感；效率優化

隨著感應耦合電能傳輸 (inductively coupled power transfer，ICPT)技術越來越受到學術界的廣泛關注，提高ICPT系統功率傳輸效率顯得十分重要，ICPT系統寬功率范圍的通用性問題和效率問題已成為推動ICPT技術產業化發展的關鍵問題。

針對ICPT系統的效率問題，已有相關文獻對其進行分析。文獻[1]通過對一種電流型ICPT系統的建模，對系統諧振耦合拓撲結構的參數進行了優化設計，提高了該系統的效率；然而此優化策略是在給定負載條件和固定頻率下對系統參數的優化設計，未能解決負載變化時的效率問題。文獻[2]通過在原邊并聯相控電感，通過對相控電感的調諧以實現系統功率的高效傳輸；然而此方法只能在小范圍內進行調節，其局限性在于電感調諧范圍越寬，初級回路電流畸變程度將會越大。文獻[3]通過改變原邊諧振電路中的一個固定微調電容充、放電的時間來控制電容量大小，從而實現對功率傳輸效率的調節；此方法只適用于給定的小功率系統。

論文以電壓型ICPT系統為例，建立其效率模型。通過數值方法，得到電壓型ICPT系統在零相角頻率下效率與原邊諧振電感值的關系特性曲線，從而得到效率最優時原邊諧振電感優化值。設計一種電感值可控的原邊電能發射線圈，通過對該可控電感的控制，動態滿足不同功率等級負載的效率要求。

1　ICPT系統效率模型建立

電壓型ICPT系統等效電路圖如圖1所示，拓撲結構分為SS和SP結構。其中S表示諧振電容串聯補償，P表示諧振電容并聯補償。原邊采用電容補償以提高系統功率傳輸能力，同時減小系統輸入伏安容量[4]。Vp是由前級逆變電路形成的高頻方波電壓源，Cp、Cs分別為原、副邊諧振電感Lp、Ls的補償電容，M為Lp、Ls之間的互感，Rp為初級電感等效串聯電阻，Ip、Is分別為初、次級諧振電流，Req為輸出端等效負載(這里只討論阻性情況)。

圖1　電壓型ICPT系統等效電路圖

令ω為系統諧振工作角頻率，由交流阻抗分析法建立電壓型ICPT系統的數學模型，如式(1)所示。其中Zs為副邊阻抗，Zr為副邊對原邊的反射阻抗，Zt為原邊諧振網絡輸入端等效阻抗，通常副邊電感串聯等效電阻Rs＜＜ωLs，因此Rs可忽略不計。

令Im(Zt)=0得到系統的零相角頻率ω，ICPT系統的傳輸功率模型可等效為反射阻抗Zr的實部與初級諧振電流Ip的平方的乘積[4]：

由式(2)可得到ICPT系統效率模型：

2　基于可控電感的ICPT系統的效率優化

根據式(1)、(3)的效率模型，對電壓型ICPT系統的效率進行分析，系統參數如表1所示。

表1　系統參數

令原邊線圈單匝繞組的電感為La，原邊線圈單匝繞組的內阻為Ra，N表示原邊線圈繞線匝數，則原邊線圈的電感Lp和串聯等效阻抗Rp分別為[6]：

通過數值方法，得到電壓型ICPT系統功率傳輸效率隨原邊電感Lp變化的函數關系，如圖2所示。

圖2　效率隨電感Lp變化的特性曲線

由圖2可看出，隨著原邊線圈電感值Lp的變化，SP拓撲結構的系統效率隨著Lp的增大先增大再減小，即存在一個最優的Lp使得系統的效率達到最優；SS拓撲結構的系統效率隨著Lp的增大而減小。由此可見，原邊發射線圈電感值的選取對ICPT系統的功率傳輸效率影響很大，因此需通過對Lp的優化實現對系統效率的優化。

由式(3)的數值解，得到PS拓撲結構不同功率等級的負載與系統最優效率所對應的原邊諧振電感Lp的關系圖；SS拓撲結構不同功率等級的負載達到相同效率所對應的原邊諧振電感Lp的關系圖如圖3所示。

圖3　不同負載Req與電感Lp的關系

由圖3可知，對于SP拓撲結構的ICPT系統，隨著負載的減輕(Req增大)，為實現最大效率傳輸，需要更大的原邊諧振電感Lp。對于SS拓撲結構，隨著負載的減輕(Req增大)，需要減小原邊諧振電感Lp，才能使系統滿足效率要求。由此可根據系統效率要求，得到不同拓撲結構和不同功率等級范圍內負載所對應的原邊諧振電感值。結合圖2中原邊電感Lp與系統效率的函數關系，SS拓撲結構的ICPT系統原邊諧振電感的選取原則為：能夠滿足系統效率的最小電感值。

由以上分析可知，通過對原邊諧振電感的優化設計，能保證不同功率等級的負載工作時，系統效率均能滿足要求或達到最優。諧振電感結構示意圖如圖4所示，a、b兩端連接高頻逆變器輸出端，通過對雙向開關K1、K2的通斷控制來調節電感值的大小，可根據負載功率等級設計線圈總匝數，由精度要求設計每匝線圈的電感值。

圖4　原邊可控電感結構示意圖

3　仿真驗證

為驗證上述基于開關電感控制的效率優化策略的正確性，根據表1所示的系統參數建立如圖1所示的ICPT系統仿真模型。要求系統效率η≥80%，負載的適用范圍為50～200 Ω，以SP拓撲結構為例。

將需要滿足的條件50 Ω≤Req≤200 Ω和η≥80%帶入系統的效率模型式(1)和(3)，得到該SP拓撲的系統功率等級可分為兩段，不同功率等級段負載所對應的原邊諧振電感值如表2所示。

表2　電感L 參數設計

令負載電阻Req1=50 Ω，Req2=150 Ω，由表2得到原邊諧振電感分別為Lp1=289 μH,N1=17匝，Lp2=324 μH，N2=18匝。通過檢測輸入電流得到負載的功率等級[7]，從而選擇相應的電感Lp。其仿真結果如圖5所示，Req在0.15 s時從50 Ω切換到150 Ω，原邊諧振電流最大值從10 A下降到7.2 A，負載輸出電壓最大值從130 V增大到192 V。由圖可以得出，Req1=50 Ω時原邊諧振電流有效值為Ip=7.08 A，負載輸出電壓有效值VReq=92 V，輸出功率Pout=170 W，效率η=80.04%。根據式(3)的效率模型計算出的理論值分別為：Ip=7.26 A，Pout=178 W，η=81.8%。可見Ip，Pout，η仿真值與理論值的誤差分別為2.47%，4.49%和2.15%，均屬于可以接受的范圍(小于5%)。Req=150 Ω時原邊諧振電流有效值為Ip=5.09 A，負載輸出電壓有效值VReq=136.5 V，輸出功率Pout=124 W，效率η=81.2%。Req=150 Ω時效率的理論計算值η=82.6%，與仿真值的誤差為1.69%，可見仿真值與效率模型的理論計算值有較好的一致性。

圖5　SP拓撲結構負載切換仿真圖

圖6為不同功率等級負載的效率仿真圖，其中SP拓撲要求系統效率η≥80%，SS拓撲要求系統效率η≥70%。由圖可看出，傳統的電感設計方法得到的系統參數對負載適應性差，系統效率隨著負載范圍的增大而降低。通過可控電感優化策略，系統根據不同功率等級的負載實時調節原邊諧振電感值，保證了系統均滿足效率的要求。

圖6　電壓型ICPT系統不同功率等級負載效率仿真圖

4　結論

論文采用原邊電感可控的動態調節電路實現了對ICPT系統工作效率的控制。當負載變化時，此效率優化策略可實時改變初級諧振電感等效值，使得不同功率等級負載的效率均滿足要求或達到最優。論文所采用的效率優化策略對ICPT系統通用供電平臺的負載自適應性有一定的理論意義與實用價值。

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Optimization on efficiency of inductively coupled power transfer system based on controllable inductance

WU Jing1，WANG Zhi-hui2
(1.Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621999,China; 2.Automation College,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

In order to solve the problem that the efficiency of the ICPT common power supply platform decreases when the different power rating load changes,an improved controllable inductance was designed to make different power rating load achieving optimal efficiency.With AC impedance analysis,the efficiency model of voltage type ICPT system was built,and then the optimal inductance value and the optimal of the primary transmitting coil turn were obtained under different load conditions.The optimal coil was regulated under different power ratings by controlling the designed primary controllable inductance,so to ensure the work efficiency of different power rating systems meet the requirements or to be optimized.The simulation results verify the validity of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed efficiency optimization strategy.

power electronics;inductively coupled power transfer(ICPT);controllable inductance;efficiency optimization

TM 7

A

1002-087 X(2016)10-2048-03

2016-03-23

中國工程物理研究院總體工程研究所創新與發展基金(14cxj09)

吳靜(1989—)，女，四川省人，助理工程師，工學碩士，主要研究方向為智能電力電子以及感應電能傳輸技術。