無線電能傳輸系統線圈補償網絡設計

郝中旭 黃曉峰 陳晨

摘？要：電能的無線傳輸技術開辟了人類能源的另一個新時代，如利用無線電能傳輸來進行充電的電動汽車，以及支持無線充電的電子設備等。或許未來會進入一個無需輸電線的時代。

為了研究在無線電能傳輸中負載發生變化時仍保證負載電流、電壓恒定，同時簡化系統控制復雜性，提高系統的穩定性，本文利用3種不同補償網絡設計，實現負載變化時保證其電流或電壓恒定。首先通過基爾霍夫電壓定律對原邊、副邊建模得到補償網絡的數學模型，從而剖析達到恒流或恒壓輸出的參數條件，然后根據其實現恒流恒壓輸出的參數要求，確定補償網絡中磁性元件的參數取值。

通過MATLAB設計整體網絡架構，進行仿真實驗，確認理論的可行性。通過Simulink仿真實驗，驗證了設計的可行性，在負載發生變化時，系統輸出電流或者電壓波動較小。能夠達到恒壓和恒流的要求。本設計通過設計補償網絡實現系統恒流恒壓輸出，相比通過控制方法實現降低了系統的復雜性，提高了系統的穩定性。

關鍵詞：無線充電；LCC-LCC；C-LCC；LCC-C

*基金項目：湖南省自然科學基金“多功能機組絕緣故障診斷關鍵技術研究”，項目編號：2019JJ60060

1 緒論引言

1.1 課題的研究背景與意義

最近幾年內，無線充電市場展現出勃勃生機，不斷有新的產品出現[1]，包括手機、手表、汽車等等設備都在朝著無線充電的方向發展。無線充電技術也拉開了產業化的進程。尤其對于電動汽車產業，相比燃油車更加低碳環保，加上國家大力扶持，近些年發展迅猛。就動力方面而言，絕大多數燃油車比不上電動汽車，開辟了對動力有需求的購車族市場。但目前為止電動汽車發展遇到的瓶頸主要是續航及電池充電，本文主要就電動汽車充電問題展開討論，在充電過程中，由于不同環境需求不同，其充電過程可能需要無線充電裝置的恒流或恒壓輸出[2]。但是如今研究多關注于無線傳輸中功率大，效率高等問題[3-4]，對于如何保證在負載變化時負載的恒壓或恒流提及很少。因此，本文通過LCC-C無線充電補償網絡設計使無線充電裝置在負載發生變化時具有系統恒壓輸出或系統恒流輸出能力。

1.2 國內外研究現狀

如今，實現無線充電裝置的恒流和恒壓輸出的途徑基本有如下兩種：一種方法是采用控制方式；另一種方法是采用無線電能傳輸系統的補償網絡設計方式。采用控制方式又分為確定占空比調節頻率暨變頻控制[5]和確定頻率調節占空比[6]兩種。

采用控制方式實現系統的恒壓或恒流輸出的優點是調節速度比較快，采用調頻或調節占空比的方式可以使系統的調節精度比較高，因此采用控制方式一直是國內外研究的熱點，同時其技術也比較成熟。但它也有不可避免的缺點，由于采用了控制方式，所使用的器件必然增多，必然會增加整體系統的復雜程度，同時也增加了系統的不穩定性，也需要額外設計其他電路，且涉及到變頻控制，有時會引起頻率分裂[3]。

采用無線電能傳輸系統補償網絡設計方式實現系統的恒流或恒壓輸出，一般是通過對電感、電容等磁性元件的選型以及構成不同的拓撲結構來實現。一般拓撲分為串聯-串聯[7]、串聯-并聯[8]、并聯-串聯[9]、并聯-并聯[10]四種，但由于應用于無線電能傳輸系統時，這四種基本的補償網絡傳輸的效率受到副邊阻抗影響比較大，本文采用對串并聯-串聯的補償網絡進行設計的方式降低副邊阻抗的影響，使無線充電裝置在負載發生變化時具有系統恒壓輸出或系統恒流輸出能力，同時又減少了復雜電路帶來的不穩定性。

2 系統建模

建立LCC-C補償網絡中頻率、磁性元件數學模型，尋找使系統輸出恒壓或輸出恒流的條件，對磁性元件進行設計。

2.1 LCC- C補償網絡

如圖1所示，LCC-C補償網絡原邊包括電感L11、電容C11及電容C12、發射線圈L12。副邊包括電感L22、電容C21接收線圈L21。電路依靠發射線圈和接收線圈的相互耦合來進行電能傳輸。其工作頻率為85 kHz，互感為66 μH。

補償網絡的主要功能是實現系統恒壓輸出，采用LCC-C補償網絡實現系統的恒流輸出可將整個系統作為一個電壓源。為方便分析系統的數學模型可先將傳輸線圈進行解耦，具體解耦模型如圖2。

圖2所示為LCC-C補償網絡解耦模型，對其回路使用基爾霍夫電壓定律可得原邊和副邊的電壓方程為：

3 系統仿真

3.1 LCC- C補償網絡

LCC-C補償網絡在本題中主要實現的功能是實現系統恒壓輸出。

當負載電阻為5 Ω時負載電壓輸出波形如圖3。

由圖3可知，當負載為5 V時，系統輸出電壓穩定在10.85 V左右，系統輸出電壓值較低。

當負載電阻為8 Ω時，負載電壓輸出波形如圖4。

可以看出，負載電壓穩定在11.4 V左右，電壓穩定性較好，波動較小，符合目標要求。

負載電阻為8 Ω時，補償網絡輸入電流電壓波形如圖5。

可以看出，效率比較高。由圖4和圖5可得，當負載為8 Ω時，系統效率應為80%。可見系統功率比較高。

當負載電阻為31.6 Ω時，負載電壓輸出波形如圖6。

由圖3、圖4和圖6可知，相比C-LCC補償網絡，LCC-C補償網絡在低壓時穩壓效果較差，在負載電阻由8～31.6 Ω變換的過程中，當負載電阻為8 Ω時，負載輸出電壓穩定在11.4 V，當負載電阻為31.6 Ω時，負載輸出電壓穩定在11.8 V。負載電壓變化了0.4 V，電壓波動小于5%。設計符合目標要求，但整體穩壓效果比C-LCC補償網絡較差，傳輸功率較高。

負載電阻為31.6 Ω時，補償網絡輸入電流電壓波形如圖7。

可以看出，LCC-C補償網絡效率比較高。由圖5和圖7可得，當負載為31.6 Ω時，系統效率應為74.06%。系統的效率相對于8 Ω時降低了。

4 結論

電能的無線傳輸技術開辟人類能源的另一個新時代。如利用無線電能傳輸充電的電動汽車，以及支持無線充電的電子設備等。或許未來會進入一個無需輸電線的時代。

為了研究在無線電能傳輸中負載發生變化時仍保證負載電流、電壓恒定，同時簡化系統控制的復雜性，提高系統的穩定性，本文利用3種不同補償網絡設計實現當負載變化時保證其電流或電壓恒定。首先通過基爾霍夫電壓定律對原邊、副邊建模得到補償網絡的數學模型，從而剖析達到恒流或恒壓輸出的參數條件，然后根據其實現恒流恒壓輸出的參數要求，確定補償網絡中磁性元件的參數取值。

在LCC-C補償網絡中，當原邊補償網絡中的L11與C11諧振且副邊補償網絡中的L21與C21諧振時，負載上電壓輸出與負載無關，且負載電壓輸出的大小僅由輸入電壓和C11決定，在給定輸入電壓的情況下，通過設定C11的值可得到需要的恒定輸出電壓大小，但其穩壓效果比C-LCC補償網絡差，且在低壓時穩壓的效果較差，但是其傳輸效率比較高。

參考文獻：

[1] 范興明，莫小勇，張鑫.無線電能傳輸技術的研究現狀與應用[J].中國電機工程學報，2015，35（10）：2584-2600.

[2] 石臣鵬.電動自行車交通現狀及對策分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2008，27（5）：772-775.

[3] WANG C S，Stielau O H，Covic G A. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52（5）：1308-1314.

[4] Wu H H，Gilchrist A，Sealy K D，et al. A high efficiency 5kW inductive charger for EVs using dual side control[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8（3）：585-595.

[5] 王淵朝，彭斌，黃武林.一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J].傳感技術學報，2013（10）：1341-1344.

[6] 吉莉，王麗芳，廖承林，等.副邊自動切換充電模式的電動汽車無線充電系統設計[J].電力系統自動化，2017，41（23）：137-142.

[7] 夏晨陽，邵祥，李玉華，等.雙LCL拓撲ICPT系統恒頻恒流穩壓特性研究[J].四川大學學報（工程科學版），2016，48（3）：156-163.

[8] 金亮亮，周荔丹，姚鋼，等.適用于并網逆變器的新型LCL濾波器[J].電力系統保護與控制，2016，44（11）：1-8.

[9] 李勇，麥瑞坤，陸立文，等.一種采用級聯型多電平技術的 IPT 系統諧波消除與功率調節方法[J].中國電機工程學報，2015，35（20）： 5278-5285.

[10] 譚林林，顏長鑫，黃學良，等.無線電能傳輸系統電壓穩定在線控制策略的研究[J].電工技術學報，2015，30（19）：12-17.