LCC-P 型諧振式無線傳能電路設計

孟周江，林輝品

（1.國網浙江省電力有限公司杭州市富陽區(qū)供電公司，浙江 杭州 311400；2.杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

0 引 言

自2007 年麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科學家利用耦合諧振技術實現了中等距離的無線電力傳輸，無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術再度成為科技發(fā)展中的熱門話題。雖然現在有線電能傳輸依然占據主體，但是已經有大量行業(yè)已經涉及并應用了WPT 技術，其中包括小功率無線充電產品、微小功率產品、工業(yè)領域、水下領域以及家用電器等領域。但無線傳輸的電能轉換效率依然是限制其廣泛應用的原因之一，還包括傳輸距離和收發(fā)方向等環(huán)境因素、成本因素帶來的影響，這些都是WPT 未來發(fā)展所需要克服的問題[1]。

1 MCR-WPT 技術國內外現狀

本次研究的磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）是在電磁感應式的基礎上衍生出來的一種傳輸方式，電路諧振增強了2 個傳輸線圈之間的耦合性，從而延長了傳輸距離，提高了傳輸功率。目前，電磁感應式無線充電使用比較成熟，而MCRWPT 還處于初步發(fā)展階段，因此對于MCR-WPT 的研究很有必要。

日本東京大學HORI Y 教授的團隊分析了動態(tài)無線充電方式，利用動態(tài)充電進一步降低電池容量[2]。較長的發(fā)射器線圈可在一定距離內提供穩(wěn)定的功率流，但發(fā)射端和接收端之間的耦合容易產生磁漏并降低效率，因此該團隊提出了多發(fā)射器的方法，使每個發(fā)射端都共享逆變器并使用縱向轉換損耗（Longitudinal Conversion Loss，LCL）結輸出，使得接收端在沿多個發(fā)射端移動過程中可以接收恒定功率，驗證了初步假設中所提出方法的準確性。美國圣地亞哥州立大學MIC 教授的團隊分別對SS（串聯-串聯）補償和LCC-S（電感-電容-電容）補償拓撲結構進行研究，對比負載電阻變化對失諧拓撲結構性能的影響，結果表明雙LCC-S 補償結構在小功率傳輸中的性能更加優(yōu)良[3]。

2 MCR-WPT 技術原理分析

LCC-P 系統(tǒng)的等效拓撲如圖1 所示。為了使系統(tǒng)的能量轉換效率最大，需要盡可能保證收發(fā)電路的諧振頻率相同[4,5]。

圖1 LCC-P 系統(tǒng)等效拓撲

根據基爾霍夫電壓定律可以得到回路方程，即

式中：up為交流輸入電源；M為線圈電感之間的耦合系數；if為正向平均電流；is為等效電源的電流；ω為系統(tǒng)固有的諧振角頻率。

參數方程為

式中：rp、rs分別為Cp、Cs的寄生電阻；Lf、Lp分別為發(fā)射端線圈電感和接收端線圈電感；Cf、Cp分別為發(fā)射端諧振補償電容、接收端諧振補償電容；//代表阻抗并聯運算。

由式（1）、式（2）可以得到收發(fā)線圈等效回路電流，即

則傳輸效率的計算公式為

根據耦合模理論可以得到反射阻抗公式為

式中：Ls為接收端線圈電感。

則得出輸入端的阻抗為

當電路系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，傳輸效率最大，可以得出輸入總阻抗，即

故可以得出諧振，其公式為

因Cp＞0，同時可以得到約束條件，即

目前，MCR-WPT 主要應用于電動汽車的無線充電部分。根據國家市場監(jiān)督管理總局等部門發(fā)布的《電動汽車無線充電系統(tǒng)》（GB/T 38775—2020）標準，電動汽車應用的MCR-WPT 頻率范圍為79 ～90 kHz，這也是本次設計目標的諧振頻率范圍[6]。

本次設計采用的MCR-WPT 技術雖然克服了傳統(tǒng)電磁感應松耦合的缺點，但是增加了能量的傳輸距離，并且能量的傳輸效率也受到了一定的影響。經過一系列分析，本次實驗擬定輸入電壓為10 V，輸入電流為1 A，輸出電壓為4 V，輸出電流為1 A，輸出功率為4 W，轉換效率為40%

系統(tǒng)由提供直流輸入的電源、能量發(fā)射端系統(tǒng)、能量接收端系統(tǒng)以及控制端系統(tǒng)構成。電源采用輸出為12 V/1 A 的開關電源適配器，提供穩(wěn)定的輸入功率。電源部分也可使用學生電源，使輸入的電壓可控。系統(tǒng)頻率為80 kHz，且驅動芯片IR2110 設有高低信號的輸入，因此需要控制板STM32F103RCT6 為驅動模塊提供帶有死區(qū)設置的互補信號。時鐘頻率選擇72 MHz 外部晶振，驅動信號輸出頻率為80 kHz，設置占空比為50%，死區(qū)時間約為150 ns。輸入采用接線端子便于調試時進行調整，輸入時添加的100 μF電容可以使輸入的電壓更加穩(wěn)定[7]。

3 實驗分析

為了測試電路的傳輸效果，先將電路板與線圈相連并固定。通過改變2 個線圈的垂直距離，發(fā)現隨著距離的增加，線圈之間依然有能量的傳輸，但是輸出電壓逐漸減小。當距離達到一定值時，便接收不到能量。為了能夠更加直觀地觀察MCR-WPT 系統(tǒng)的傳輸效果，利用示波器對各部分信號進行測量。設置單片機發(fā)出一對互補的頻率為80 kHz 的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波，經過驅動電路后，輸出電壓得到放大。

由于存在自舉電路，IR2110 芯片的輸出電壓值相對較低，該芯片的控制信號輸出至全橋逆變電路的功率開關管，最終到諧振補償電路。輸出信號經過諧振補償電路后，因為電路的匹配存在一定的誤差，所以波形有一定的失真，可以繼續(xù)調整諧振電容使波形達到相對的理想狀態(tài)。發(fā)射端波形和輸出端波形對比如圖2 所示。

圖2 發(fā)射端波形和輸出端波形對比

4 結 論

文章對LCC 型磁耦合諧振式無線電能傳輸電路進行了建模和分析，并從耦合模型理論出發(fā)，分析了LCC-P 型補償拓撲結構的應用，發(fā)現其可以降低開關損耗，并提高了系統(tǒng)的傳輸效率。系統(tǒng)介紹了各個模塊的結構設計以及芯片、元器件的選型，通過與同類電路的比較，選擇了與本次設計較為契合的結構。通過對電路耦合結構的設計進行分析，制作了手繞線圈電感作為能量傳輸的媒介。結合各種理論設計原理圖，并最終構建了實物模型，具有一定的應用價值。