基于LCC的諧振式無線電能傳輸負載無關性研究

萬祖巖，陳 星，張永超

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024）

0 引言

旋轉部件在線監測系統中，為了監測旋轉物體的運行狀態，便于分析、設計、控制、診斷，需要在旋轉部件上安裝傳感器、信號調理電路、處理器以及無線數據發射電路[1]。這些電路均需要電能，給這些電路的供電方式主要有電池、接觸式導電滑環電能傳輸、非接觸式電能傳輸等供電方式[2]。采用電池方式進行供電時，需要定期充電或更換電池，無法保證系統長期有效在線。采用導電滑環供電時，由于旋轉物體本身的運動，會產生導線摩擦、發熱等問題，很難保證在旋轉部件上長時間使用[3]。而無線電能傳輸技術（Wireless Power Transmission，WPT）可以避免這些問題的出現，具有無摩擦、使用壽命長、性能可靠等優點，是旋轉部件長期在線監測系統需要解決的關鍵問題之一[4-5]。

本文主要應用感應耦合電能傳輸技術為旋轉部件的在線監測系統進行無線供電，探究此技術能否對負載進行穩壓輸出。目前有相關文獻對無線供電系統的穩壓輸出進行過研究，但大多數是采用控制電路對其進行閉環控制[6-7]，本文主要通過采用設計參數的方法使電路給負載的輸出電壓具有較好的負載無關性。

本文采用較為常用的LCC型補償電路，對其基本原理進行探究，計算得出系統負載值以及各線圈通過電流的計算公式和系統輸出電壓的計算公式，通過公式得出系統諧振頻率、電感等各部分電路參數，分析出負載變化對系統穩壓輸出的影響。基于電路參數，對電路進行仿真和實驗，驗證分析結果的正確性。

1 電路構成

在ICPT系統中，通常采用增加諧振補償網絡的方式補償系統中的無功功率，提高ICPT系統的有功功率傳輸能力[8]。在眾多復合諧振拓撲結構中，比較典型的有兩種結構——LCL型和LCC型。LCC型諧振補償先將一個電感L和一個電容C串聯，再和另一個電感C并聯，既能隔阻直流分量，又能減少濾波電容中的電流脈動，增大發射線圈電流以提升ICPT系統傳輸距離。

LCC型ICPT電路的拓撲結構如圖1所示。圖中S1～S4為MOSFET開關管與直流電源構成電壓型逆變電路；D1～D4為反并聯二極管；Lp1、Cp1和Cp2一起構成發射線圈側的補償諧振網絡；Lp2為發射線圈，Ls為接受線圈；Cs為接收線圈側并聯補償電容；R為系統等效負載電阻，Ip和Io為發射線圈電流和負載電流。

圖1 LCC型ICPT系統拓撲結構Fig.1 Topological structurediagramof LCCICPTsystem

2 原理分析

電路工作在諧振狀態時，諧振網絡對高次諧波有很大的抑制作用。同時，對方波周期信號，n次諧波的幅值為基波幅值的1/n。因此，在對電路進行分析時，可以僅考慮逆變后得到電壓的基波分量對電路的作用[9]。根據傅里葉技術，逆變后得到電壓u1的基波分量的有效值為：

為了便于分析，將圖1系統拓撲結構圖逆變電源以及各個電感的內阻等效出圖2所示電路。

圖2 ICPT系統等效電路圖Fig.2 ICPTsystemequivalent circuit diagram

在圖2中，RLp1、RLp2和RLs分別為補償電感內阻、發射線圈內阻和接收線圈內阻。則接收側總阻抗Zs為

在諧振狀態下，接收側總阻抗在發射端的反映阻抗Zr為[10]：

則將系統接收側等效發射側的等效電路模型如圖3（a）所示，根據諾頓定理進一步等效為圖3（b）所示。

圖3 發射端等效電路Fig.3 Transmitter equivalent circuit

在諧振狀態下，圖3（a）中阻抗Zc為：

在ICPT系統中，由于發射線圈和接受線圈品質因數較高，故可以忽略其內阻，并且在諧振狀態下，Ls和Cs相當于開路，故接收側總阻抗Zs為：

由式（8）和（11）可知，發射線圈的電流僅與輸入的電壓有關，即當系統負載變化時，發射側線圈可保持恒定的電流，有利于形成穩定的磁場。由式（12）可得，系統輸出電壓具有負載無關性，易于實現恒壓控制。

3 電路設計

根據式（8）利用Matlab計算得輸出電壓Uo在不同諧振頻率下隨負載改變的變化曲線如圖4所示。由圖可知，系統的輸出電壓在諧振頻率為85 kHz時具有較好的負載無關性，不隨負載的變化發生較大改變。

圖4 輸出電壓U o在不同諧振頻率下隨負載變化曲線Fig.4 The curve diagram of the outputvoltage U o changing with the load under different resonance frequencies

根據實際工況，旋轉部件在線監測系統所需輸出功率為P0＝10 W，設定直流輸入電壓Vin＝15 V，旋轉部件各元器件要求輸出電壓Vout＞5 V，增加一定裕量確定Vout＝15 V。并確定變壓器匝數比以及各個元器件參數。

根據系統的輸入以及輸出需求，計算得出變壓器匝數比N＝1。根據公式計算得出變壓器發射側電感為117μH。根據公式Cs(min)＝Iin/(8f·ΔUout)可得，輸出的電壓紋波ΔUout＝0.05 V時，Cs(min)＝1.02μF，取Cs＝1.35μF 。由式（6）計算可得，接收側電感Ls＝102μH；發射補償電感Lp1＝102μH；發射側補償電容Cp1＝1.35μF，Cp2＝1.18μF。互感M＝91μH。得出LCC型諧振網絡仿真電路參數如表1所示。

表1 系統電路仿真參數Tab.1 Simulation parametersof systemcircuit

4 仿真分析

基于以上分析過程，使用Simulink對本文電路進行仿真，仿真參數如表1所示，電路系統整體仿真圖如圖5所示。

圖5 LCC型電路系統整體仿真圖Fig.5 Overall simulation diagram of LCCtype circuit system

在圖5中，給定輸入電壓為Ud＝15 V，輸出交流電頻率為85 kHz，在t＝0.3 s處斷開開關使負載10Ω突變到20Ω，圖6所示為仿真得出的發射線圈電流Ip的波形。

圖6 LCC型負載電阻由10Ω突變到20Ω發射線圈電流波形Fig.6 Thetransmitcoil current waveform of LCCtype load resistance changes from10Ωto 20Ω

為了進一步驗證LCC型補償電路的有效性，將串-并聯補償電路進行對比仿真分析。給定輸入電壓為Ud＝15V，輸出交流電頻率為85 kHz，在t＝0.3 s處斷開開關使負載10Ω突變到20Ω，圖7所示為仿真得出的發射線圈電流Ip的波形。由圖6可得，LCC型補償電路中原邊發射線圈電流不隨負載的改變發生變化；而由圖7可知，普通的串-并聯型補償電路發射線圈電流穩態賦值在負載電阻突然變化的時候發生較為明顯的改變。通過對比仿真分析可知，在兩線圈距離固定，線圈間耦合系數一定，電源的輸出頻率固定時，當負載電阻發生變化時，LCC型補償網絡系統中流發射線圈電流基本保持不變，有利于形成穩定的磁場。

圖7 串-并聯型電阻由10Ω突變到20Ω發射線圈電流波形Fig.7 The transmitcoil current waveform of series-parallel resistance changes from10Ωto20Ω

5 實驗分析

為驗證上述分析，根據表1中所示參數以及圖5的仿真模型搭建實驗平臺。實驗中給定輸入電壓為Ud＝15V，輸出交流電頻率為85 kHz，采用接入串聯電阻來實現負載電阻的突然增大，觀察發射線圈電流Ip的變化情況，實驗測試結果如圖8～9所示；觀察系統整體輸出電壓的變化情況，如圖10所示。

圖8 LCC型負載電阻由10Ω突變到20Ω發射線圈電流波形Figure.8 The transmitcoil current waveformof LCCtype load resistancechangesfrom10Ωto20Ω

圖9 串-并聯型電阻由10Ω突變到20Ω發射線圈電流波形Fig.9 The transmitcoil current waveform of series-parallel resistance changes from10Ωto20Ω

測試上述實驗波形的儀器為ETA公司的ETA-5301A電流探頭和Micsig公司的tBook-mini示波器。由圖8、9和圖10可知，實驗結果證實了仿真結果的正確性。該結果表明在LCC型諧振補償電路中，當負載改變時，發射線圈電流不隨之變化，能夠在電路原邊形成穩定的磁場，有利于電路穩定運行。同時，該電路也可以保證整個系統的輸出電壓無明顯變化，具有較好的負載無關性，驗證了上述理論分析的正確性。

圖10 負載變化時輸出電壓波形Figure.10 Output voltagewaveformwhen theload changes

6 結束語

本文以LCC型諧振補償網絡的ICPT電路模型為研究對象，通過分析其互感模型，得出電路中輸出電流表達式，并通過仿真分析，得出了系統工作頻率對負載無關性的影響，找出最適合系統的工作頻率，并以此工作頻率為基礎，提出一套ICPT電路系統的參數配置方案與傳統串-并聯補償的ICPT電路進行對比仿真分析和實驗研究。分析和實驗結果表明，在額定條件下，在負載發生突變時，發射線圈電流不會發生突變，有利于電路穩定；系統輸出電壓基本保持不變。由此可驗證本文參數配置下的LCC型諧振補償網絡的ICPT電路系統具有較好的負載無關性。