一种基于新型拓扑的动态感应电能传输系统研究

余 进 杜凯军 高世萍

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

一种基于新型拓扑的动态感应电能传输系统研究

余 进 杜凯军 高世萍

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

当感应电能传输（inductive power transfer, IPT）系统为轨道机车负载供电时，其发射线圈通常采用长D型结构，但D型结构作为发射线圈会产生严重的电磁干扰问题，本文利用8字型线圈结构作为发射线圈，同时考虑到利用传统D型接收线圈时，因发射线圈与接收线圈间的互感值变化幅度大，使得其IPT系统输出功率严重失衡甚至无功率输出，这样严重影响IPT系统的稳定运行，因此本文将DDQ型结构作为接收线圈以改善IPT系统的功率特性。最后，构建一个基于8字型发射线圈以及DDQ型接收线圈的IPT实验系统。实验验证了该方法可以有效改善其功率特性。

感应电能传输；动态供电；8字型发射线圈；DDQ型接收线圈

感应电能传输（inductive power transfer, IPT）技术颠覆了利用导线实现能量交互的传统观念，其以空间中的磁场为媒介，将能量以非接触的方式实现电源与负载的交互。利用IPT系统对移动负载供电时，其特殊的非接触供电方式可以有效避免因机械磨损、碳积导致的导线老化、短路等不确定因素带来的安全风险。因此，IPT技术引起国内外诸多研究机构以及专家的高度关注[1-4]。

与传统的导线接触供电系统相比，利用IPT系统对移动负在供电时具有无可比拟的优势。随着高频电力电子技术的技术的成熟以及半导体器件制作工艺的逐步提高，使得IPT技术在电动汽车、轨道机车等多种移动设备上都有广泛应用。一般来说，对移动负载供电的发射线圈为长直轨道[5]，普通的D型长直轨道的磁路特性决定了其漏磁大，这样对周围生物体造成一定影响，且会使得发射线圈与接收线圈间的互感受其偏移影响显著[6]。文献[7]提出利用顺时针和逆时针交替绕制的线圈环组成的8字型发射线圈可以实现降低漏磁，增大拾取线圈与接收线圈的偏移并可以有效提高功率，然而其输出功率波动较大。文献[8]通过对空间平行位置的环线线圈磁耦合结构进行优化显著降低了系统成本和车载设备重量。文献[9]分析出 DDQ型的线圈绕制方式使得线圈间无互感存在，这样可以利用简单的电容参数配置方式实现IPT系统的谐振。

为解决文献[6]中8字型发射线圈传输功率波动大的问题，本文将8字型线圈作为发射线圈，并结合DDQ型接收线圈组成IPT系统的能量发射以及接收机构，利用DDQ型接收线圈来改善8字型发射线圈的功率特性。

1 基于8字型发射线圈及DDQ型接收线圈的IPT系统分析

图1（a）中，E为直流源，L0为发射线圈，C0为发射线圈在设定频率下的谐振补偿电容，L1和L2为接收线圈，在设定频率下的谐振补偿电容为 C1和C2且发射线圈与接收线圈间的互感分别为M1和M2。设定Rac是直流电阻Rdc在交流侧的等效电阻，在串联谐振补偿电路中整流桥前的交流电阻与整流桥后的直流电阻间的等效关系[10]可表示为

图1 IPT系统原理图及其等效电路图

根据DD接收线圈和Q接收线圈的并联关系。得到两线圈的等效交流电阻关系表达式为

图2中的8字型发射线圈是通过顺时针和逆时针交替绕线线圈的方式实现相邻两线圈环的磁场方向相反，这样通过增强相邻线圈环间的磁场交互来减小发射线圈漏磁，以降低其对外界环境的影响。DDQ型的线圈作为接收线圈且发射线圈和接收线圈的所有线圈环大小相等；当DD接收线圈与发射线圈两相邻线圈环正对时，DD接收线圈与发射线圈间的互感最大且Q接收线圈与发射线圈间的互感为零；当Q接收线圈与发射线圈某一线圈环正对时，Q接收线圈与发射线圈间的互感最大且DD接收线圈与发射线圈间的互感为零。图中δ 代表两接收线圈外侧边缘与发射线圈外侧边缘的相对位置，随着δ 的逐渐增大，使得发射线圈与 DD接收线圈和 Q接收线圈的互感交替增大，进而使得其感应电压交替增大。

图2 8字型发射线圈与DDQ型接收线圈磁场分布以及其相对位置简图

图1（b）中二次侧接收线圈1的输入阻抗Z1=R1，接收线圈2的输入阻抗Z2=R2，此时二次侧电路反射到一次侧电路的等效阻抗为

两接收线圈的并联关系得到一次侧电路总反射阻抗Z0=Zr1+Zr2。

当M1＞M2时，DD接收线圈的感应电压大于Q接收线圈的感应电压，此时因Q接收线圈的整流器的二极管工作在截止状态使得使得Q接收线圈无功率输出即Zr2=0，若只有DD接收线圈能正常工作，则一次侧电路总反射阻抗Z0=Zr1+Zr2=Zr1且R1=Rac。那么逆变器的输出电压以及输出功率 P（等于负载消耗功率）为

当M1=M2时，DD接收线圈的感应电压等于Q接收线圈的感应电压，此时DD接收线圈和Q接收线圈都能正常工作，则一次侧电路总反射阻抗Z0=Zr1+Zr2且 R1=R2=Rac。那么逆变器的输出电压以及输出功率P为离为100mm。

表1 IPT系统参数值

当M1＜M2时，DD接收线圈的感应电压小于Q接收线圈的感应电压，此时因DD接收线圈的整流器的二极管工作在截止状态使得Q接收线圈无功率输出即Zr1=0，若只有Q接收线圈能正常工作，则一次侧电路总反射阻抗Z0=Zr1+Zr2=Zr2且R2=Rac。那么逆变器的输出电压以及输出功率P为

根据式（4）、式（5）和式（6）可知，DDQ型接收线圈并联为负载供电时，只有发射线圈与DDQ型接收线圈间互感较大的接收线圈工作。因此，M1=M2时为基于8字型发射线圈及DDQ型接收线圈的IPT系统工作时的互感最小值，此时 DD型接收线圈和Q型接收线圈能够同时为负载供电且在逆变器恒流工作时IPT系统的输出功率最小。若要实现DD接收线圈和Q接收线圈的输出功率最大值相等，则需要实现发射线圈与DD接收线圈和Q接收线圈的互感最大值相等。

2 实验验证

IPT系统采用表 1所示的系统参数并结合图 1（a）中的结构示意图搭建了如图3所示的IPT实验系统，其中8字型发射线圈与DDQ型接收线圈组成IPT系统的传能装置，其中发射线圈和接收线圈的所有线圈环大小相等，其发射线圈与接收线圈间距

图3 实验装置图

通过图4可以看出，当发射线圈与DD接收线圈和Q接收线圈间的互感相等时，两接收线圈同时工作，但受补偿电容容差以及发射线圈与两接收线圈互感参数误差等影响使得DD接收线圈和Q接收线圈的输出功率未完全相等，考虑误差影响实现了理论分析中互感相等时两接收线圈能同时工作且输出功率相等的结论。

图5所示为DD接收线圈输出功率最大时的波形图以及IPT系统各节点的功率图，从图中可以看出，只有DD接收线圈工作且此时的输出功率远大于发射线圈与接收线圈互感相等时的输出功率，此时的工作效率才能达到90.67%。

图4 当M1=M2时，DDQ接收线圈电压、电流波形及IPT系统输入、输出功率图

图5 DD接收线圈输出功率最大时，DDQ接收线圈电压、电流波形及IPT系统输入、输出功率图

对比图6（a）中D型接收线圈与DDQ型接收线圈输出功率图，可以看出，基于D型接收线圈的IPT系统受发射线圈与接收线圈间互感变化影响，使其输出功率震荡严重且存在输出功率死区（无功率输出点）；然而利用DDQ型接收线圈的IPT系统的输出功率无死区且有效改善了功率输出的不平衡度；同时验证了理论分析中发射线圈与两接收线圈互感相等时输出功率最低的结论。对比分析图6（b）可以看出，利用DDQ型电路拓扑可以有效解决IPT系统工作在死区时效率低的问题。因此可以看出，DDQ型接收线圈可以明显改善基于8字型发射线圈的功率特性。

图6 D型接收线圈与DDQ型接收线圈输出功率以及其效率对比图

图7所示为随着发射线圈与接收线圈相对移动过程中，DDQ型接收线圈中DD型接收线圈输出功率与Q型接收线圈输出功率曲线图。通过上述功率图可以看出，在随着发射线圈与接收线圈相对位置的变化，DD型接收线圈与Q型接收线圈交替为负载供电。

图7 DD接收线圈正常工作时DD接收线圈和Q接收线圈的输出功率曲线图

3 结论

为减小传统D型发射线圈对周围环境电磁干扰的影响，本文利用8字型线圈作为IPT系统的发射线圈。通过实验证明了利用DDQ型接收线圈，可以有效改善传统D型接收线圈的功率特性，且显著提高其低功率时的工作效率。

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Research on Dynamic Inductive Power Transfer System based on a New Topology

Yu Jin Du Kaijun Gao Shiping
(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao, Shandong 266111)

When inductive power transfer (IPT) system serves forthe IPT system serves for rail locomotive, D-type is usuallyused as the transmitter coil and receiver coil. For the transmitter is long, it can result in serious electromagnetic interfere (EMI) issues. Therefore, a 8-typetransmitter coil is applied in IPT system. Because mutual inductance between transmitting coil and receiving coil changessharply, it seriously affectsIPT system output power. Therefore, the DDQ-type coil is used as the receivercoil to balance the output power of IPT system. Finalliy, an IPT experimental system based on 8-type transmitter coil and DDQ-type receiver coil is constructed, and the experimental results show that this method can effectively improve the output power performance.

inductive power transfer；dynamic power supply；8-type transmitter coil；ddq-type receiver coil

余 进（1973-），男，陕西南郑人，博士，高级工程师，主要从事感应供电技术在交通领域应用研究工作。