磁場耦合諧振式無線電能傳輸補償拓撲結構效率特性分析

吳振軍 馮凱 竇智峰 高鵬飛 金楠 武潔

摘要：構建磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統4種諧振補償拓撲結構（原邊串聯副邊串聯型、原邊串聯副邊并聯型、原邊并聯副邊串聯型和原邊并聯副邊并聯型）的等效電路模型，分析磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統的效率特性，研究耦合系數和品質因數對系統效率的影響.仿真結果表明，副邊諧振補償拓撲結構對系統效率影響較大，系統效率對耦合系數和品質因數的變化較為敏感，與副邊采用串聯補償拓撲結構方式相比，副邊采用并聯補償拓撲結構時，系統有更寬的高傳輸效率范圍.實驗結果驗證了仿真結果的正確性.

Abstract：Four resonance compensation topologies equivalent circuit models for magnetic field coupling resonance wireless power transfer system （primary side series and secondary side series type，primary side series secondary side parallel type，primary side parallel secondary side series type and primary side parallel secondary side parallel type） was constructed. The efficiency characteristics of magnetic field coupling resonance wireless power transfer systemwasanalyzed. The influence of coupling coefficient and quality factor on system efficiency was studied. The simulation results showed that the secondary side resonance compensation topology had a greater impact on the system efficiency，and the system efficiency was more sensitive to changes in the coupling coefficient and quality factors.

Compared with the secondary side using the series compensation topology，the system had a wider range of high transfer efficiency when the secondary side used the parallel compensation topology. The experimental results verified the correctness of the simulation results.

關鍵詞：無線電能傳輸;諧振;等效電路;系統效率

Key words：wireless power transfer;resonance;equivalent circuit;system efficiency

中圖分類號：TM15

文獻標識碼：A文章編號：2096-1553（2021）02-0083-09

0 引言

作為一種新型電能傳輸技術，無線電能傳輸技術可實現電能的非接觸傳輸，擺脫導線的束縛，使電能的接入更加靈活、安全、方便，在移動機器人、便攜式移動設備、植入式醫療設備等方面具有廣闊的應用前景[1-3].

無線電能傳輸方式主要有電磁感應式、電磁輻射式和耦合諧振式3種[4-7].電磁感應式無線電能傳輸通過磁耦合方式傳輸能量，采用分離變壓器在傳輸空間產生高頻交變磁場，完成電能的非接觸傳輸.但該傳輸方式中磁芯容易飽和，線圈熱損耗較大，只適用于短距離無線電能傳輸[8].電磁輻射式無線電能傳輸先將電能轉換為電磁波進行傳輸，再由天線接收，通過轉換器將電磁波轉換為電能.該傳輸方式傳輸距離較遠，但傳輸效率較低且傳輸輻射較大[9-10].耦合諧振包括電場耦合和磁場耦合兩種形式.在電場耦合式無線電能傳輸中，電源側的金屬平板和負載側的金屬平板形成電容，利用電容的電場進行電能傳輸，這種傳輸方式的應用較少[11-12].磁場耦合式無線電能傳輸主要利用共振和電磁感應原理，將電能通過磁場傳遞到接收側，使其在中等距離傳輸時，仍能獲得較高效率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響[14].根據補償電容位置不同，磁場耦合式無線電能傳輸系統的補償拓撲結構可分為原邊串聯副邊串聯（SS）型補償拓撲結構、原邊串聯副邊并聯（SP）型補償拓撲結構、原邊并聯副邊串聯（PS）型補償拓撲結構和原邊并聯副邊并聯（PP）型補償拓撲結構.與電磁輻射式相比，磁場耦合式無線電能傳輸方式對電磁環境影響較小，且功率較大;與電場耦合式相比，該方式傳輸距離較遠，因此磁場耦合式無線電能傳輸得到廣泛應用[15-16].

目前磁場耦合式無線電能傳輸的研究主要集中在傳輸距離、帶負載能力等方面[17-21]，由于磁場耦合諧振式無線電能系統本身固有的特點，系統磁路耦合機構的漏磁現象較嚴重，系統中的無功功率較大，限制了系統的傳輸效率和能力.針對這個問題，目前普遍采用諧振補償方式進行無功功率補償，但磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統的傳輸效率[22]、品質因數和耦合系數對不同諧振補償結構的影響等問題[23]尚未得到有效解決.文獻[24]利用負載阻抗模型，分析原、副邊采用不同補償拓撲時對初、次級繞組電壓電流的影響，但補償結構對效率特性的影響尚不明確.文獻[25]采用新型LCL諧振補償結構降低了系統損耗，提高了系統傳輸效率，但增加了系統控制復雜度.文獻[26]通過改變諧振補償結構的電感值，使系統始終保持諧振狀態，但結構相對復雜，實現較困難.

鑒于此，本文擬針對磁場耦合式無線電能傳輸系統，建立4種諧振補償拓撲結構的等效電路模型，推導系統效率表達式，研究耦合系數和品質因數對系統傳輸效率的影響，以期明確不同補償拓撲結構的效率特性，為實際應用場景選擇不同補償拓撲結構提供理論參考.

1 磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統結構

磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統由直流電壓源供電，逆變后產生高頻交流電，原邊與副邊線圈通過磁場耦合的方式傳輸電能，將交流電傳輸至副邊整流后供負載使用.本文從等效電路的角度建立無線電能傳輸模型，構建等效電路并設置其具體參數，對系統的傳輸效率和傳輸功率進行計算、推導和分析.為了簡化分析，將副邊整流部分去掉，副邊剩余部分直接連接負載，在研究不同副邊拓撲結構時只需等效折算即可.

系統結構原理如圖1所示，其中Vin為原邊輸入電壓;MOSFET全控開關管Q1—Q4組成原邊逆變電路;Lp、Ls、Rp、Rs、Cp、Cs分別為原邊和副邊的線圈自感值、電阻、補償電容;Vo為負載電壓值;Io為負載電流;Vp為交流電壓源;Ip為逆變器輸出電流;RL為負載電阻;M為初級繞組與次級繞組之間的互感值，其大小主要取決于線圈.

本文SS型和SP型補償拓撲結構組成的無線電能傳輸系統，輸入電壓的有效值恒定，輸入電流隨負載變化而改變，被稱為電壓型磁場耦合諧振式系統;PS型和PP型無線電能傳輸系統輸入電流的有效值恒定，輸入電壓隨負載變化而改變，被稱為電流型磁場耦合諧振式系統.

2 4種補償拓撲結構等效電路模型

2.1 SS型補償拓撲結構

SS型無線電能傳輸系統等效電路如圖2所示，根據基爾霍夫定律（KVL）可列出方程：

質因數Q0和系統耦合系數K有關.但系統傳輸效率公式較為復雜，需進行仿真進一步分析其變化趨勢.

3 仿真結果與分析

為進一步分析耦合系數和品質因數變化時系統傳輸效率的變化趨勢，在Matlab軟件中搭建4種諧振補償拓撲結構的仿真模型，仿真參數如表1所示，仿真結果如圖6—7所示.

當系統副邊品質因數Q0=20時，不同諧振拓撲耦合系數與效率關系曲線如圖6所示.由圖6可知，4種諧振補償拓撲結構的最高效率點均出現在諧振點ωr=1.00附近.由圖6a）和b）可知，對于副邊串聯補償結構，耦合系數K越低，系統效率對諧振頻率變化越敏感，即保證系統工作在高傳輸效率的頻率范圍越窄.當 ωr<1.00時，系統效率隨諧振頻率的增大而升高，耦合系數較大時，系統在低頻段效率隨耦合系數的增大而升高;當ωr>1.00時，系統效率隨諧振頻率的增大而降低，耦合系數較小時，系統效率對諧振頻率變化較敏感，即K值的微小增加會引起效率明顯下降.

由圖6c）和d）可知，對于副邊并聯補償拓撲結構，當ωr<1.00時，系統效率隨諧振頻率的增大而升高，耦合系數較大時，系統效率對諧振頻率的變化較敏感，即K值的微小增加會引起效率明顯上升，且在其他條件相同的情況下，耦合系數越大，系統傳輸效率越高;當ωr>1.00 時，系統效率隨諧振頻率的增大而降低，耦合系數較小時，系統效率對諧振頻率變化較敏感.對比副邊串聯結構與副邊并聯結構的效率曲線可知，副邊采用并聯補償拓撲結構時，系統工作在高傳輸效率的范圍比串聯補償拓撲結構更寬.

圖7給出了當耦合系數K=0.3時，不同諧振拓撲品質因數與效率關系曲線.由圖7a）和b）可知，對于副邊串聯補償拓撲結構，在Q0值較低時，系統效率隨諧振頻率的增加而逐漸升高;在Q0值較高時，系統效率最高值在ωr=1.00 附近，若諧振頻率繼續升高，系統效率略微下降;當ωr>2.00時，系統效率受品質因數影響較小，若諧振頻率繼續升高，不同品質因數下系統效率會趨于一個相對穩定的值.

由圖7c）和d）可知，對于副邊并聯補償拓撲結構，系統效率最高值在ωr=1.00附近，當ωr<1.00時，系統效率隨諧振頻率增大而升高，品質因數Q0較大時，系統效率對諧振頻率變化較敏感，即Q0值的微小增加會引起系統效率明顯上升，且在其他條件相同的情況下，品質因數Q0越高，系統效率越高;當ωr>1.00，系統品質因數Q0=50時，諧振頻率的變化對系統效率幾乎沒有影響，隨著Q0值的減小，系統效率隨諧振頻率增大而降低，且Q0值越小，系統效率對諧振變化越敏感，在低品質因數下，系統工作在高傳輸效率的頻率范圍較窄.

4 實驗驗證

為進一步驗證仿真結果的正確性，搭建實驗平臺進行系統電能傳輸實驗以驗證系統傳輸效率與副邊不同結構的影響，實驗中原邊系統采用串聯補償拓撲結構，副邊系統分別采用串聯和并聯補償拓撲結構，直流電壓源為Myway APL-II，控制芯片選擇為TMS320F28335DSP，功率開關管選擇為C2M0080120D，二極管選擇為C4D20120D，使用示波器YOKOGAWA DLM4058采集波形.實驗平臺參數與仿真參數一致.實驗結果如圖8—9所示.

根據系統參數設定，系統電能傳輸諧振頻率為28.6 kHz.由圖8可知，系統副邊為串聯和并聯補償拓撲結構時，原、副邊輸出的電壓和電流同相位，說明本文無線電能傳輸以磁場耦合諧振方式進行.由圖9可知，系統副邊采用串聯和并聯補償拓撲結構時，系統效率的實驗數據和仿真數據基本吻合，且副邊為并聯補償拓撲結構時，系統的高傳輸效率范圍更寬，該結果驗證了仿真分析的正確性.

5 結語

本文針對無線電能傳輸系統，構建了4種諧振補償拓撲結構等效電路模型，分析了磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統的效率特性，研究了耦合系數和品質因數對系統效率的影響.仿真結果表明，副邊諧振補償拓撲結構對系統效率影響較大，系統效率對耦合系數和品質因數的變化較敏感，當副邊為串聯補償拓撲結構時，系統工作在高傳輸效率的范圍較窄;當副邊為并聯補償拓撲結構時，相比于串聯結構系統有更寬的高傳輸效率范圍.實驗結果驗證了理論分析的正確性.在無線電能單向傳輸的基礎上，下一步工作將重點研究分析無線電能雙向傳輸，并加入信息傳輸部分以擴大實際應用領域.

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