基于雙邊LCC的感應耦合電能傳輸系統軟開關參數設計

張 珂

應用研究

基于雙邊LCC的感應耦合電能傳輸系統軟開關參數設計

張 珂

（海裝駐青島地區第一軍事代表室，山東青島 266102）

補償網絡作為電源、耦合器以及負載的通道，是無線電能傳輸系統中必不可少的環節。本文針對現階段感應耦合電能傳輸系統中常用的雙邊LCC補償網絡進行參數設計并實現軟開關，減小無線電能傳輸系統的無功損耗，提升整體效率。首先介紹了4種基本的補償網絡的傳輸特性，然后引出雙邊LCC補償網絡。基于軟開關特性，對雙邊LCC的諧振網絡進行了參數設計。

感應耦合電能傳輸 雙邊LCC軟開關 參數設計

0 引言

無線電能傳輸技術具備工作性能穩定、安全系數高等優點，且有效避免了有線插拔方式存在磨損等問題，是一種安全可靠的能量供給方式。感應耦合電能傳輸（ICPT）系統利用電磁耦合原理，實現能量從初級側到次級側的無接觸的傳遞。在ICPT系統中，收發線圈間存在較大間隙，導致整個系統能量傳輸效率較低。因此需要加入補償電容，通過諧振的方式提高原副邊耦合度，實現無線電能傳輸系統原副邊能量傳輸效率的提升[1～3]。，補償網絡LCC、LCL被提出，其中LCL網絡可實現原邊電流恒定，且具有一定的濾波功能，并且可以減小傳遞至副邊的諧波；但是LCL網絡參數配置不靈活，原邊自感值與諧振自感值需相同。因此將LCL補償拓撲的自感串聯一個補償電容，使得自感與諧振電感無關聯，實現了補償網絡參數的配置靈活。雙邊LCC補償網絡不僅具有LCL拓撲結構的優勢，同時其補償網絡結構參數對稱且完成相同，參數設計過程簡單，因此雙邊LCC拓撲結構被廣泛應用于磁耦合式無線能量傳輸系統[4～10]。

1 四種基本的補償網絡

根據無線電能傳輸系統原副邊補償電容以及電感的連接形式，可將其分為如下四種基本補償網絡結構，如圖1所示。

圖1 ICPT系統對應的四種基本拓撲結構

在ICPT系統中，對于四種基本的補償網絡參數設計研究較為深入，因此對這四種雙邊補償網絡特性參數歸納如表1所示。

表1 四種基本的補償網絡特性參數

根據表1不難發現串并補償以及并串補償網絡的原邊補償電容與耦合器耦合系數相關，同時并補償其諧振網絡參數與線圈互感以及負載相關。而無線電能傳輸系統參數補丁且接收端負載參數極易變化，因此對于串并、并串、并并補償網絡的系統極易失諧導致無線電能傳輸系統傳輸效率下降[11～15]。因此輸入阻抗角為零的串-串補償應用更加廣泛。

2 基于雙邊LCC補償的ICPT系統

無線電能傳輸系統中S-S補償的諧振網絡可實現其傳輸性能與負載參數以及耦合系數無關，但是S-S諧振結構的傳輸功率隨耦合器互感系數的增大而減小，因此串-串補償難以實現大功率環境下的高效傳輸。因此高階補償網絡應運而生，其中雙邊LCC補償網絡設計過程簡單，原邊電流恒定，因此得到了廣泛應用。

圖2 基于雙邊LCC諧振網絡的ICPT系統等效電路

由于雙邊LCC補償的ICPT系統為三階補償網絡，若進行整體分析相當復雜，因此通過疊加原理對其電路各個部分進行分析。將U和U的響應單獨分析，虛線部分代表無電流流過。U單獨作用時等效電路如圖3所示，U單獨作用時等效電路如圖4所示。

圖3 UAB單獨作用時等效電路

圖4 Uab單獨作用時等效電路

不難發現，對于雙邊LCC系統，當原邊輸入為恒壓源，副邊輸出為恒流源。同時在Simulink中搭建雙邊LCC仿真平臺，系統原副邊電壓電流波形如圖5所示。

由圖5可知在基于雙邊LCC補償網絡的ICPT系統中原邊發射線圈電壓超前副邊接收線圈電壓90度，同時其原邊電壓也超前副邊電流90度。

3 參數優化與軟開關實現

通過對于無線電能傳輸系統中諧振網絡的參數設計進行有利于實現軟開關。在無線電能傳輸系統的諧振點設計基礎上，對諧振網絡參數進行些許調整進而實現逆變器的零電壓關斷或者零電流關斷。全橋逆變器的零電壓開通可以減小開關損耗。MOSFET兩端存在結電容致使其開關管兩端電壓上升較慢，進而有利于減小關斷損耗。由此可知ZVS更加適配于無線電能傳輸系統全橋逆變器。

對于無線電能傳輸中MOSFET實現零電壓開關需要使其諧振網絡呈現感性，即電壓超前電流。但是如果將全橋逆變器的感性成分增加太多，會導致無線電能傳輸系統的諧振點發生偏移。因此需要對其諧振網絡的參數調整范圍進行控制，實現電壓些許超前于電流即可實現逆變器的ZVS。

圖6 原邊逆變器軟開關輸出波形

因此需要確保MOSFET的關斷電流在一個死區時間內確保MOSFET的階段電容實現充放電，故實現ZVS的條件可以表示為：

關斷電流又可以表示為：

4 結論

由于雙邊LCC無線電能傳輸系統傳輸功率與線圈互感成正比，因此在大功率無線電能傳輸中較為適用。同時基于雙邊LCC補償網絡的無線電能傳輸系統可以實現負載無關的輸出，且通過對于雙邊LCC補償網絡原邊串聯補償電容進行參數微調，使其補償網絡呈現弱感性有助于實現逆變器的零電壓開關。

[1] 趙爭鳴, 張藝明, 陳凱楠. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J]. 中國電機工程學報, 2013(03): 2-13.

[2] 黃學良, 譚林林, 陳中,等. 無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J]. 電工技術學報, 2013, 28(010): 1-11.

[3] 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.

[4] 高鍵鑫, 吳旭升, 高嵬,等. 基于LCC的磁諧振無線電能傳輸發射端補償技術[J]. 電工技術學報, 2016(z1).

[5] 王懿杰, 姚友素, 劉曉勝,等. 無線電能傳輸用S/CLC補償拓撲分析[J]. 電工技術學報, 2017, 32(022): 34-41.

[6] Li S, Li W, Deng J, et al. A Double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(6): 2261-2273.

[7] Wei Z, Mi C C. Compensation topologies of high-power wireless power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(6): 4768-4778.

[8] 吉莉, 王麗芳, 廖承林,等. 基于LCL諧振補償網絡的副邊自動切換充電模式無線電能傳輸系統研究與設計[J]. 電工技術學報, 2018, 33(S1): 38-44.

[9] 景妍妍, 曲小慧, 韓洪豆. 基于可調增益恒流源補償網絡的磁場耦合無線電能傳輸LED驅動電路[J]. 電工技術學報, 2016(z1).

[10] Wang Y, Lin F, Yang Z, et al. Analysis of the influence of compensation capacitance errors of a wireless power transfer system with SS topology[J]. Energies, 2017, 10(12): 2177.

[11] 吳鑫杰. 感應耦合電能傳輸與副邊輸出控制研究[D].合肥: 合肥工業大學, 2020.

[12] 羅博, 陳麗華, 李勇, 麥瑞坤. 基于滑模控制的感應耦合電能傳輸系統輸出電壓控制研究[J]. 電工技術學報, 2017, 32(23): 235-242.

[13] 姜龍斌, 史黎明, 范滿義, 張發聰, 殷正剛. 感應電能傳輸系統耦合機構輸出功率的分析和控制[J]. 電工電能新技術, 2020, 39(05): 1-9.

[14] 黃曉生, 陳為. 用于磁感應耦合式電能傳輸系統的新型補償網絡[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(18): 3020-3026.

[15] 劉玉昆. 無線電能傳輸系統功效特性與補償網絡關系研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2014.

Parameter selection of soft switching for inductively coupled power transmission system based on bilateral LCC

Zhang Ke

(School of Electrical Engineering, Naval Engineering University, Qingdao 266102, Shandong, China)

TM154

A

1003-4862（2022）01-0041-03

2021-04-19

張珂（1979-）工學碩士，主要研究方向船用電工技術與電氣設備。E-mail: 957297910@qq.com