具备恒压特性的SP/S感应式无线电能传输系统

刘　闯　郭　赢　葛树昆　李　航　蔡国伟（东北电力大学电气工程学院　吉林　132012）



具备恒压特性的SP/S感应式无线电能传输系统

刘闯郭赢葛树昆李航蔡国伟
（东北电力大学电气工程学院吉林132012）

在感应式无线电能传输系统的实际应用中，通常需要系统输出电压保持恒定。采用一种基于串并/串（SP/S）谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构，当系统发射端和接收端的相对位置确定并采用定频控制时，该结构在全负载范围内具备接收端输出恒压特性。同时分析了随着横向偏移的变化，系统输出恒压增益的变化特性。最后，设计了一个6.6 kW、20 kHz定频控制的感应式无线电能传输实验系统，验证了所采用的SP/S谐振补偿拓扑结构的可行性和有效性。

感应式无线电能传输串并/串定频恒压

0　引言

感应式无线电能传输系统一般由发射端和接收端两部分组成，通过高频磁场耦合，透过较大的气隙，将电能从发射端传输到接收端［1，2］。与有线电能传输相比，无线电能传输除了具有使用便捷、安全，没有插拔电线时的电弧现象和触电危险等特点，还能够适应多种恶劣天气和环境（比如雨雪天气、矿井、加油站等［1-3］）。

在实际应用中，通常要求感应式无线电能传输系统接收端输出电压保持恒定，而且为了提高系统的功率传输能力以及多端接收的能力，还要求系统采用定频控制且保持发射端线圈电流恒定（有效值不变，恒流）。为了满足上述要求，目前采用的方法主要是引入闭环控制，包括发射端控制和接收端控制。发射端控制主要有增加DC-DC变换电路、移相控制等，实现发射端恒频恒流。接收端控制主要有增加 Buck或Boost型DC-DC变换电路等，实现接收端输出电压恒定（恒压）［3-5］。虽然传统的闭环控制也能达到较好的效果，但闭环控制的引入会导致系统电路结构复杂、稳定性降低等问题。文献［6，7］以发射端并联谐振、接收端串联谐振的感应式无线电能传输系统为研究对象，在特定的参数边界条件下，能自然实现发射端线圈恒流、接收端输出恒压的特性，但该方法不能在全功率范围内具备此特性。另外，文献［6，7］中使用电流型逆变电路，直流侧需要串联大电感保证恒流特性，系统体积大，效率低。

本文采用了一种基于串并/串（Series Parallel/ Series，SP/S）谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构，使用电压型逆变器，直流侧不需要串联大电感，系统体积小、功率密度大、效率高。当系统发射端和接收端相对位置确定并采用定频控制时，该结构在全负载范围内具备接收端输出恒压特性，而且系统发射端逆变器能够实现零电压开通（Zero-Voltage-Switching，ZVS）。同时分析了随着横向偏移的变化，系统输出恒压增益的变化特性。最后，设计了一个6.6 kW、20 kHz定频控制的感应式无线电能传输实验系统，验证了所采用的SP/S谐振补偿式拓扑结构的可行性和有效性。

1　系统结构和分析

1.1典型的感应式无线电能传输系统

图1为典型的感应式无线电能传输系统结构。系统首先通过AC-DC整流电路将电网的交流电变换成直流；然后通过DC-AC逆变电路将直流逆变成高频（10～150 kHz）的交流电；经过发射端谐振补偿电路后，发射端线圈中流过高频电流，进而激发高频强磁场，接收端线圈通过电磁感应得到感生电动势（AC）；最后，通过接收端谐振补偿电路和AC-DC整流电路将交流电变换成直流给负载供电。

图1　典型的感应式无线电能传输系统Fig.1　Typical wireless power transfer system

1.2感应式无线电能传输系统拓扑结构

发射端线圈串并联（SP）混合谐振补偿、接收端串联（S）谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构如图2所示，其中Lp、C1、C1s、L1构成发射端串并联混合谐振补偿电路，C2和L2构成接收端串联谐振补偿电路，M为发射端与接收端互感，U0为电压型逆变器输出电压；Ip、I1和I2分别为逆变器输出、发射端线圈、接收端线圈电流。

图2　感应式无线电能传输拓扑结构Fig.2　Topolgy for inductive power transfer system

1.3发射端特性分析

发射端等效拓扑结构如图3所示，其中Rr为接收端反馈电阻。因为接收端采用串联补偿时，反馈到发射端阻抗表现为纯阻性，所以可用Rr表示，详细分析在1.4节。电容C1s用来补偿一部分发射端线圈自感L1，调节C1s的值就可以调节发射端线圈上的恒定电流值的大小［8］。定义固有谐振频率ω0和经过C1s补偿后的发射端线圈自感L1为L，则

图3　发射端等效拓扑结构Fig.3　Transmitting terminal equivalent topolgy

定义开关频率ω与谐振频率ω0的归一化值ωn= ω/ω0，发射端品质因素Q1=ω0Lp/Rr，L和Lp的比例λ=L/Lp。电压型逆变器输出电压U·0为方波电压，通过傅里叶级数展开为

则逆变器输出电流电压相角差可表示为

其大小与λ的关系为

为了实现逆变器开关管的ZVS，逆变器输出电流相位要稍滞后于电压相位，使λ略小于1，逆变器开关管就可实现ZVS［8，9］。

1.4接收端特性分析

接收端等效拓扑结构如图4所示，其中Voc为接收端线圈通过电磁感应得到的感生电动势。

为纯阻性，且输入阻抗与负载电阻相等。负载电压为

将式（9）代入式（11）可得

定义负载输出电压与电压U0的比值为电压增益G

当发射端和接收端相对位置确定，即M值确定时，结合1.3节的分析，从式（12）可看出，负载电压保持恒定，不随负载变化而变化；电压增益G只与互感值M呈正比例关系，当系统发射端和接收端发生横向偏移时，系统互感M减小，电压增益G随之降低，即系统输出电压减小。

图4　接收端等效拓扑结构Fig.4　Receiving terminal equivalent topolgy

2　实验验证

2.1实验参数确定

为了验证上述理论分析的正确性，搭建了一个直流输入电压为400 V，频率为20 kHz的实验系统。系统采用常见的圆形电磁耦合结构［9，10］，磁心、线圈等参数是在文献［9，10］的基础上，并对线圈的最优中心位置做了进一步优化而得到的，其3-D模型和实验装置如图5所示。

图5　3-D模型和实验装置Fig.5　3-D model and experimental setup

发射端和接收端纵向距离为200 mm且无横向偏移时，根据LCR仪器（GWINSTEK LCR-8101G）测试得到发射端和接收端线圈自感L1、L2和互感M分别为149 μH、149 μH和34.24 μH。感应式无线电能传输系统最大传输功率为

在该实验系统装置中，受磁心饱和磁通密度以及线圈端电压限制，发射端线圈电流I1限制在40 A，接收端品质因数限制在4［11-15］。结合第2部分理论分析，由式（1）、式（3）、式（8）计算得到实验装置的参数见表1。

表1　实验参数Tab.1　Experimental parameters

2.2实验结果分析

图6为发射端和接收端纵向距离为200 mm时，互感值M随横向偏移的实测变化规律，随着横向偏移的增大，系统互感M逐渐减小。根据式（13）可知，电压增益G也将随横向偏移的增大逐渐减小。

图7为发射端和接收端纵向距离为200 mm，横向偏移分别为 0 mm和 160 mm时，由频谱分析仪（VENABLE Model 3120）扫描得到的不同负载情况下系统的频率响应曲线。从图7可看出，频率为20 kHz（设计频率），发射端和接收端相对位置确定时，系统电压增益G相同即系统输出电压恒定，与负载大小无关；系统横向偏移160 mm与无横向偏移时相比，系统电压增益G明显减小。考虑到实际应用时，系统输出电压可能需要始终保持恒定或需要变压，比如给电动汽车充电，只需要在整流电路后增加一级简单的DC-DC变压电路即可。

此外，从图7也可看出，在设计频率20 kHz时，系统发射端和接收端电压相角差为180°，此时电磁耦合装置与变压器作用完全相同，不消耗无功功率，只起到功率传递的作用，发射端只需要提供有功功率。

图8为系统在无横向偏移时（下同），不同负载功率等级下，接收端输出电压和发射端线圈电流I1实测曲线。从图中可看出，系统输出电压基本保持恒定，最大值193 V与最小值188 V变化率不足3%；发射端线圈电流基本保持在40 A，变化率不足0.5%。

图8　发射端线圈电流I1和输出电压实测曲线Fig.8　The experimental transmitting coil curret I1and receiving terminal output voltage

图9为系统发射端逆变器输出电压、电流实验波形。从图中可看出，输出电流相位稍滞后于电压，逆变器实现了ZVS。这也从侧面证明接收端只消耗纯有功，反馈到发射端阻抗为纯阻性，与1.4节分析一致。

图9　逆变器输出电压、电流实验波形Fig.9　The voltage and current waveforms of the inverter

图10为系统DC-DC实测效率（FLUKE-N5K Power Analyzer）随负载功率变化曲线，从图中可看出，随着负载功率的增大系统效率逐渐增大。如图11所示，系统达到最大输出功率6.6 kW时，DC-DC效率为93.8%。

图10　系统DC-DC效率实测曲线Fig.10　The experimental overall DC to DC efficiency

图11　最大输出功率Fig.11　The maximum output power

3　结论

本文采用一种基于SP/S谐振补偿的感应式无线电能传输系统拓扑结构，当发射端和接收端的相对位置确定并采用定频控制时，该结构在全负载范围内具备接收端输出恒压特性、发射端线圈恒流特性，系统发射端逆变器能够实现零电压开通（ZVS），且随着横向偏移的增大，系统输出恒压增益逐渐减小。最后，设计了一个6.6 kW、20 kHz定频控制的感应式无线电能传输实验系统，验证了所采用的SP/S谐振补偿式拓扑结构的可行性和有效性。通过实验测得系统输出功率为6.6 kW时，DC-DC效率达到93.8%。

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刘闯男，1985年生，博士，副教授，研究方向为电力电子功率变换与无线电能传输技术。

E-mail:victorliuchuang@163.com（通信作者）

郭赢男，1990年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

E-mail:200828045@163.com

The SP/S Inductive Power Transfer System with Constant Voltage Characteristics

Liu ChuangGuo YingGe ShukunLi HangCai Guowei
（Electrical Engineering CollegeNortheast Dianli UniversityJilin132012China）

In practical applications of the inductive power transfer（IPT）system，the constant output voltage is typically required.In this paper，the series-parallel/series（SP/S）compensation resonant topology is adopted for the IPT system.With the fixed frequency driving and no changing distance between the transmitting and receiving terminal，the output voltage can maintain constant under full load range.In addition，the changing characteristics of the output constant voltage gain is also discussed with the horizontal misalignment.Finally，a 6.6 kW WPT system with 20kHz fixed frequency is setup to verify the feasibility and effectiveness of the adopted SP/S compensation resonant topology.

Inductive power transfer，series parallel/series（SP/S），fixed frequency，constant voltage

TM46

国家自然科学基金（51307021）、吉林省自然科学基金（20140101076JC）和吉林省教育厅技术研究项目（2015238）资助。

2015-04-01改稿日期 2015-06-17