感應耦合傳輸系統的建模分析

趙一帆，韓如成，劉紅兵

（太原科技大學電子信息工程學院，山西太原030024）

感應耦合傳輸系統的建模分析

趙一帆，韓如成，劉紅兵

（太原科技大學電子信息工程學院，山西太原030024）

針對非接觸電能傳輸（ICPT）系統負載變換時造成原邊回路電流不能保持恒定的問題，介紹了一種新型的基于LCL諧振補償網絡的ICPT系統拓撲結構。建模分析了基于LCL補償的ICPT系統的等效電路模型，并對LCL型ICPT系統所表現出的恒流、恒壓特性進行仿真分析和驗證，為ICPT系統的設計和分析提供了良好思路。

電能傳輸；非接觸式；感應耦合

1 引言

隨著智能技術與電力電子技術的快速發展，非接觸式電能傳輸 CPT（Coupled power transfer）技術［1、2］作為一種新型的電能傳輸技術而逐漸被人們所采用，其打破了傳統的電能傳輸必須依靠接觸導體的束縛，實現了電源與用電設備之間在非物理接觸情況下的能量傳輸。該技術具有便捷、安全、低維護、可靠性高及環境親和力強等優點，克服了傳統電能傳輸方式所帶來的有磨損、有火花等缺點，在潮濕、水下、易燃、易爆等特殊環境下有廣闊的應用前景。感應耦合式電能傳輸ICPT（Inductively coupled power transfer）技術相對于其它方式（磁共振、微波式等）是一種更為成熟的無線輸電技術，其傳輸功率和效率均較高，未來有很高的使用價值和廣闊的應用前景［3］。

ICPT技術是以電磁感應為基本原理，將電能轉化為磁能，使用松耦合變壓器，在較大的氣隙內通過磁場將能量從原邊耦合線圈傳遞到副邊線圈。松耦合變壓器一方面使系統的原、副邊實現了能量的非接觸式傳輸，但另一方面因其漏感大、耦合系數很低而限制了系統的傳輸功率和效率。為此，ICPT系統通常會在初、次級電路中添加補償電路，以構成諧振網絡來減小線路損耗、開關損耗及器件應力。最常用的補償方式有串聯補償和并聯補償，在初、次級電路中分別串聯或并聯補償電路，有4種補償結構，即串－串（SS）結構、串－并（SP）結構、并－串（PS）結構和并－并（PP）結構。文獻［4、5］對 4 種補償結構進行了詳細的對比和分析，并得出了4種傳統補償電路，它們分別適合于不同的應用場合。ICPT系統采用并聯補償時，由于諧振頻率隨著負載的變化而變化，所以其不適合可變負載的應用場合；初級串聯補償由于輸入電流和初級電流相等，若副邊電路不存在或負載很小時，原邊電路會產生很大的電流，所以初級串聯補償僅適用于初級電流較小的非接觸性電能傳輸系統。

LCL屬于廣義的T型諧振網絡［6］，是一種混合補償，具有恒流源特性和單位功率因數的特點。本文使用的非接觸電能傳輸系統模型利用LCL補償特性，通過諧振變換的方式，直接實現原邊恒流、副邊恒壓。本文主要探討LCL型高階ICPT系統，給出其參數設計方法。與傳統的補償方式相比，LCL型ICPT系統具有較高的功率因數，能夠有效改進系統的性能。

2 LCL型ICPT系統原理與建模

2.1 基于LCL補償的ICPT系統原理

典型的基于LCL諧振補償的ICPT系統的拓撲結構圖如圖1所示。整個系統的主電路由原邊發射端和副邊拾取端兩部分組成。其中原邊側是由S1－S4組成的全橋逆變電路、初級電感LP、初級補償電容CP和松耦合變壓器初級線圈LP組成的LCL諧振網絡電路。輸入的直流電壓Uin通過逆變器和LCL諧振網絡，在原邊發射線圈LP上產生一個高頻交變電流，從而在附近產生一個同頻率的交變磁場，依據法拉第電磁感應定律，副邊拾取線圈LS上能感應出一個高頻交變電壓，補償電容CS與副邊接收線圈LS諧振，并經過整流環節為負載提供穩定的電能。

圖1 LCL型ICPT系統拓撲結構圖

2.2 基于LCL補償的ICPT系統建模

感應耦合機構（松耦合變壓器）和諧振網絡是整個 ICPT 系統中最為重要的兩個部分［7、8］。為了更好地分析ICPT系統，為參數優化提供依據，需要對整個ICPT系統進行建模分析。

由于ICPT系統使用的松耦合變壓器的耦合性能較差，原、副邊不能滿足匝比關系，因此本文使用更合適的互感模型來表示系統的等效電路［9］。如圖2所示為基于LCL型諧振補償網絡的ICPT系統等效電路圖。過數學計算求得，。為了簡化分析，根據正弦等效原理，副邊整流濾波電路可以等效為電阻（RL＝8／π2R0），Zs為次級阻抗，Zr為次級電路通過 M反映到初級電路的反映阻抗。

圖2 LCL型ICPT系統等效電路圖

這里假設所有的開關管都是理想的，且輸入的電源視為一個理想的直流電壓源，其中－jωMIS和jωMIP分別為原、副邊的互感電動勢。在實際電路中，相對于負載而言，Lr、Lp、Ls的電阻較小，所以可以忽略不計。其中初、次級線圈的互感M可以通

3 LCL諧振補償網絡參數設計及特性分析

3.1 參數設計

相比于傳統的補償結構，基于LCL補償的ICPT系統的元件參數更為復雜但相對靈活。依據圖2等效模型可知，副邊電路的總阻抗ZS為：

由于副邊線圈在原邊要產生感應電動勢，就相當于副邊電路會在原邊產生一個等效的反映阻抗，其值為：

則系統總阻抗Zt為：

令Z→0，可得：

此時，可以求得ICPT系統的諧振頻率。

進一步分析，ICPT系統的總輸入阻抗Zt包括實部

虛部

為了保持逆變器的輸出電壓與輸出電流同相位，那么就要求虛部為0，這樣逆變器只需要給負載提供有功功率。可以近似得到下式：

這可以看出逆變輸出電流Ir與原邊諧振電流Ip的比例關系，并看出兩者的相位差為180°。

3.2 特性分析

對于ICPT系統而言，負載擾動是不可避免的。只要實現原邊發射線圈電流恒定，就能使變壓器的次級系統獲得恒定功率。在實際應用中，對于帶負載且要求有額定電壓或電流的用電設備（電池、電機等）而言，實現副邊恒壓或者恒流就顯得很重要［10］。

仍然以圖2為研究對象，當取

此時系統原邊諧振電流Ip為

由上式可以看出，原邊諧振電流與負載R無關，系統表現出很好的恒流特性。

如圖3所示為副邊電路使用LCL諧振補償網絡時的等效電路圖。其中LS、CS、Lf組成了LCL型諧振補償網絡。

對其進行穩態分析，可知流過負載的電流為：

副邊總阻抗為：

流過副邊線圈的電流為：

當諧振頻率滿足

可得負載電流

可見副邊電路使用LCL諧振補償的ICPT系統輸出電流只與互感M和次級線圈電感Ls有關，與負載RL的大小無關，且與原邊諧振電流成正比關系，電路表現出恒流輸出特性。

同理，分析副邊LCL電路的恒壓特性，可以計算出負載電壓

其與負載大小無關，與原邊諧振電流成正比關系。

通過對LCL諧振補償網絡應用于原邊和副邊的特性分析可知，其自身穩定，減少了系統的復雜程度，降低了損耗，節省了成本，對實際應用有很好的改進效果。

4 系統仿真分析

根據上述的分析，利用Matlab軟件搭建系統電路模型進行仿真研究，分析其恒流特性與恒壓特性。

如圖4所示為原邊恒流原理圖。系統在固定開關頻率20kHz驅動逆變器情況下運行，原邊使用基于LCL諧振網絡的電路拓撲結構，主要參數為直流電源 Uin＝60V，Lr＝110.3μH，Lp＝112.3μH，Cp＝0.68μF，Ls＝112μH，Cs＝0.67μF。如圖 5 所示為副邊電路的負載在 0.04s、0.06s、0.08s 依次減小狀態下的原邊諧振電流Ip與逆變電流Ir的仿真波形圖。由圖可知，在副邊電路負載減小的情況下，逆變輸出電流隨著負載的變小而變小，而原邊線圈諧振電流則表現出了很好的恒流效果，滿足了次級系統獲得恒定功率的目的。

圖4 原邊恒流原理圖

為了驗證其恒壓特性，系統副邊同樣使用基于LCL的諧振網絡，如圖6所示。在滿足理論分析的條件下，采用硬開關頻率20kHz驅動原邊電路逆變器，對系統副邊輸出電壓進行仿真研究。原邊元件參數不變，電壓源 Uin＝140V，副邊

圖5 原邊恒流特性仿真圖

圖6 副邊恒壓原理圖

元件參數調整為：Ls＝112μH，Lf＝110μH，Cs＝0.94μF，如圖7所示為負載恒壓仿真圖，由圖可知，負載電壓和原邊諧振電流表現出了很好的穩定性，說明了理論分析的正確性。同樣可以看出，在高電壓情況下，逆變電流也能表現出不錯的穩定性。

圖7 負載恒壓仿真圖

5 結束語

本文討論了一種基于LCL諧振補償網絡的非接觸電能輸電系統（ICPT）。對ICPT系統的結構進行了介紹，對基于LCL的諧振補償感應耦合機構的建模方法進行了分析，對基于LCL的諧振補償結構進行了參數設計，對基于LCL的諧振補償網絡ICPT系統進行了仿真研究，驗證了其原邊恒流及副邊恒流恒壓的特性，為ICPT系統的設計應用提供了一個良好的思路。

［1］J.T.Boys，Green A W.Inductively coupled power transmission concept－design and application［J］.PENZ Trans，1995，22（1）：1－9.

［2］J.T.Boys，G.A.Covic，A.W.Green.Stability and control of inductively coupled power transfer systems［J］.IEEE Electric Power Applications，2000（1）：37－43.

［3］楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等.無接觸電能傳輸技術的研究進展［J］.電工技術學報，2010，25（7）：6－13.

［4］Chwei－Sen Wang，Grant A.Covic，Oskar H.Stielau.Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（1）.

［5］周雯琪，馬 皓，何湘寧.感應耦合電能傳輸系統不同補償拓撲的研究［J］.電工技術學報，2009，24（1）：133－139.

［6］C.Y.Huang，J.T.Boys，G.A.Covic，S.Ren.LCL pick－up circulating current controller for inductive power transfer systems［J］.IEEE Energy Converters.

［7］H.H.Wu，G.A.Covic，J.T.Boys，D.Robertson.Aseriestuned inductive power transfer pickup with a controllable AC voltage output［J］.IEEETrans.onPowerElectronics，2011，26（1）：98－109.

［8］武 瑛，嚴陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析［J］.電工電能新技術，2003，22（4）：10－13.

［9］蘇玉剛，王智慧，孫 躍，等.非接觸供電移相控制系統建模研究［J］.電工技術學報，2008，23（7）：92－97.

［10］Y.Su，C.Tang，S.Wu，Y.Sun.Research of LCL resonant inverter in wireless power transfer system［A］.Proc.of Conf.on Power Syst.Technol［C］.China Chongqing，2006.1－6.

Modeling analysis of inductive coupling power transmission system

ZHAO Yi－fan，HAN Ru－cheng，LIU Hong－bing
（College of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

As regard to the problem of the current of the primary loop cannot be constantly maintained due to the ICPT load changes，a new type of ICPT topology based on LCL resonant compensating network is proposed.The equivalent circuit model of the ICPT system based on LCL compensation is established and analyzed.The constant current and constant voltage properties showed by the ICPT system are analyzed and verified by Matlab simulation，and which provide a good thinking for design and analysis of the ICPT system.

power transmission；contactless；inductive coupling

TM72

A

1005—7277（2016）05—0026—04

趙一帆（1990－），男，碩士，主要研究方向為非接觸式電能傳輸技術。

2016－07－11