双边LCCL无线电能传输系统参数设计方法研究

杨深钦，何 笠，孙 盼，吴旭升



双边LCCL无线电能传输系统参数设计方法研究

杨深钦，何 笠，孙 盼，吴旭升

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

本文分析了感应式无线电能传输（ICPT）技术中双边LCCL谐振网络的特性及工作原理，基于此原理提出了一种结合Ansoft 16.0软件的双边LCCL谐振网络的参数设计方法，该方法在分析中利用单匝线圈代替实际应用中的多匝线圈，简化了设计流程。利用此方法可实现发射线圈电流在特定频率点的恒定输出，形成稳定交变磁场，不受负载和耦合系数的影响。提出一种通过调节初级侧补偿电容实现零电压开通（ZVS）的方法。设计了一台10 kW无线电能传输样机，验证了所提特性和参数计算方法的可行性和正确性。

感应式无线电能传输 双边谐振 参数设计

0 引言

无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术因其供电端与受电端无直接电气连接，使得用电设备的灵活性大为提高，其在新能源交通、水下探测、矿井设备及人体植入式医疗等特殊场合具有广阔的应用前景[1]。感应式无线电能传输（Inductive Contactless Power Transfer，ICPT）技术采用电磁感应原理实现电能从初级线圈到次级线圈的无线传输，是一种发展较为成熟的无线电能传输方式。由于ICPT系统初、次级线圈之间无直接接触且存在较大的间隙，使得间隙之间存在较大的漏感，降低了系统的互感系数，随着初级线圈和次级线圈间隔和径向偏移的增大，漏感会急剧增大互感系数会随之急剧减小；且由于传输线圈的存在，使得整个电路呈感性，功率因数较低，影响系统传输功率和效率。因此，需要在系统中增加谐振补偿结构，以提高系统功率因数，应用比较广泛的补偿结构有：串联—串联（SS）、并联—串联（PS）、串联—并联（SP）以及并联—并联（PP）。

近年，国内外学者对高阶谐振补偿结构也开展了研究，如LLCL和LCL结构[2,3]，但对于LCCL谐振补偿结构的研究，目前还比较匮乏。文献[4]中提出了一种LCCL谐振网络的参数设计方法，通过该方法可以使谐振网络逆变模块在开关时刻瞬时电流值为零，实现ZCS。但对于MOSFET而言，ZCS并非是其最理想的开关状态，为使系统开关损耗最小，应使逆变模块工作在ZVS状态[5]。

本文主要研究了LCCL谐振拓扑的参数设计，对其电路结构及工作原理展开分析，根据分析结果结合Ansoft16.0有限元仿真软件提出了一种LCCL参数设计方法。通过该方法，当工作在某特定频率时系统接近单位功率因数状态，并实现了该频率下初级侧线圈电流的恒定输出及全桥逆变电路的，ICPT系统的传输效率得到提高。最后对该方法进行了实验验证。

1 双边LCCL谐振补偿电路原理及特性分析

图1所示为谐振补偿网络拓扑结构图，初级侧为功率MOSFET构成的桥式逆变电路；次级测为整流二极管构成的桥式整流电路，定义初、次级线圈的匝数比为：

图2 初级侧LCCL简化模型

当系统输入电流可表示为：

其中：，,和中电流、电压基波分量的向量形式。

则整个谐振网络为阻性网络，系统工作在单位功率因数状态。同理可对次级侧LCCL网络展开分析，最终得到双边LCCL结构的谐振条件为：

将次级侧折算至初级侧，得到双边LCCL谐振网络的型等效电路,如图3所示。其中，L表示励磁电感且L=·1，为初、次级线圈的耦合系数，型等效电路右侧所示的值均为次级侧的折算值。

图3 双边LCCL补偿网络型等效电路

根据叠加原理，对电路状态进行分析[6]，电流下标与表示和´分别作用时各支路电流的值。

当单独作用时，若0，1与1，2与2分别构成并联谐振网络，可得：

同理可分析´单独作用时各参数的表达式。负载为纯阻性时，与´相角相同，令相角为0，则输入电压与输入电流相角相同，即系统呈纯阻性。当=0时，逆变模块输出的功率可以表示如下：

根据式（7）可知：在双边LCCL谐振补偿网络中，系统如果工作在谐振频率且能明确各电感值，可以通过调节电压，实现功率的恒定输出。

2 LCCL谐振网络ZVS实现方法

按照以上分析配置线圈和谐振网络后，系统将呈纯阻性。而对于全桥逆变电路，其的实现有赖于在MOSFET导通之前使其反并联的二极管导通，即保证同一桥臂中另一MOSFET的关断电流为正值，此时需满足系统输入阻抗呈感性[7]，而感性程度的增加又会降低传输系统的功率因数。因此，需精确调整调节电路元件的参数以保持取合适值。根据上文分析，通过调整C或C来改变系统的阻抗特性的方法在实际应用中更为便利，本文选择调整C来实现。

首先分析当C改变时流过电感1的电流的基波分量。为示区分，记调整C后流过电感1的电流的基波分量为与，根据上文分析，若频率仍维持0不变，由于1与1，2与2构成并联谐振网络，=。而将不再为零。结合式型等效电路图，其值可表示如下：

因此，此时1上电流的基波分量表达式如式（9）所示。

则关断电流中的高频分量可表示如下：

在实际全桥逆变电路中，死区时间t应大于MOSFET输出电容C充放电一次所需时间，通常取t=2[8]，即：

其中C为MOSFET数据手册给出的C的等效线性取值。通过以上分析结论，即可根据所需的关断电流值，确定C的值，实现逆变模块的。

3 谐振网络参数设计

根据上文分析结果，设计一个在85 kHZ频率下额定输出功率为10 kW的无线电能传输系统。为切合大功率无线电能传输在电动汽车充电等场合的实际应用，减少漏磁，提高传输效率，本设计采用铝板对线圈进行屏蔽，并在铝板与线圈之间平铺一层铁氧体，以尽可能提高品质因数。初级侧线圈面板设计规格为500 mm*500 mm，次级侧线圈面板设计规格为380*320 mm；设计该系统能在150 mm~200 mm间隙下实现无线电能传输，并且当面板发生100 mm的水平偏移时，仍能实现两线圈面板的互感系数≥0.1，以保证传输效率的稳定。

图4 线圈面板的3D仿真模型

首先根据线圈面板的规格，利用Ansoft16.0软件确定发射、接收线圈的规格尺寸，线圈面板3D仿真模型如图4所示。将间隙设定为200 mm，输入电压设定为500 V，输出电压设定为400 V,将线圈宽度设为变量，对其进行参数扫描，并计算两线圈面板的互感系数，根据参数扫描的结果，确定初级线圈宽度w=130 mm，次级线圈宽度w=94 mm，此时得到=0.134。

图5 线圈面板水平偏移仿真曲线

确定初次级感应线圈宽度后，对其水平偏移进行仿真分析，结果如图5所示。可以看出，取上文确定的线圈宽度时，当面板沿X轴或Y轴的偏移小于100 mm，可以实现≥0.1，满设计指标。

为简化仿真建模过程，在仿真模型中使用单匝铜线代替实际使用的线圈，二者关系如图6所示。

图6 仿真线圈与实际线圈参数关系

实际线圈与仿真线圈的关系为如下：

结合上文仿真结果可以得到L0=0.682 μH，L0=0.504 μH。由于初级侧，次级侧线圈材料相同，取两侧电流密度相等，因此可将两侧电流按照截面积比分配，即：

其中为仿真线圈截面积。由感应耦合原理可知，输出功率可表示如下：

将上文中仿真得出的w，w的参数结合式（14）~式（16），得到I0=516 A，I0=416 A。由于实际线圈中采用相同规格的利兹线，因此初、次级感应线圈电流密度仍可视为相等，即：

当J取经验值4~6 A/mm2时，根据面板与利兹线的实际规格，确定本设计线圈匝数为1=18，2=13。按此方式分别绕制初、次级感应线圈，测量得到两线圈的实际值为：L=246 μH，L=88 μH，互感系数=0.175。

进而根据上文推导的结论计算LCCL谐振网络其它参数。首先取LCCL双边对称情况以计算1，此时取U=500 V，U=400 V，L与L均取246 μH。则根据式（7）可得：

继而可以得到1，2，2，C以及待调整的初级侧补偿电感C的值，如表1所示。

表1 双边LCCL谐振网络设计参数

根据前文分析结果，需对C做出相应调整以实现全桥逆变电路的。根据本系统的电压、电流及功率参数，本设计选用SCT3040KL碳化硅功率MOSFET构成全桥逆变电路，根据该管寄生电容及充放电时间等参数，取死区时间为450 ns，可得关断电流最小值应为i=1 A，取i=2 A，并且可以得到C调整后的值´=17 nF。

4 实验验证

为验证本文双边LCCL谐振网络的参数计算方法及其数学模型的正确性，按上文确定的参数搭建了实验平台，图7为按上文确定的规格制造的发射与接收面板。

图7 根据设计规格制造的充电面板

图8 实验测得的MOSFET的电压波形

图8为500 W输出功率下的实验波形。1通道为全桥逆变模块单个MOSFET的驱动电压V，2通道为同一MOSFET的漏源电压V，由该图可见，在逆变器开通瞬间，电压已经降至0，实现了ZVS。

图9 当负载变化时i，i和U的波形

图9为次级侧负载发生变化时i，i和U的波形，其中U为负载电压。由图可知在输出端负载阻值由33.4 Ω变化为7.7 Ω时，次级线圈电流i和负载电压U有明显下降，但初级侧电流i保持不变，证明了上文特性分析和参数设计方法的正确性。为验证系统的运行稳定性，取初、次级充电面板间隙为170 mm，利用功率分析仪分别测量传输效率。图10中2表示逆变模块到负载的传输效率，由图可知，当负载变化时，传输效率基本维持不变，且在较大的传输距离下，仍能保持91%以上的传输效率，验证了利用本方法所设计ICPT系统的稳定性与可靠性。

图10 不同负载下系统的传输效率

5 小结

本文分析了ICPT系统中双边LCCL谐振网络的电路原理及其特性，提出了一种结合Ansoft16.0仿真软件的网络参数设计方法，利用该方法实现了初级侧线圈电流的恒定输出与逆变模块的ZVS，降低了MOSFET的开关损耗，提高了ICPT系统传输效率与传输稳定性。最后，利用所提参数设计方法搭建了实验平台，验证了该方法的正确性及可行性。

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Resonant Network Analysis and Parameter Design of Bilateral LCCL Radio Energy Transmission System

Yang Shenqin, He Li, Sun Pan, Wu Xusheng

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM721

A

1003-4862（2019）01-0017-05

2018-09-28

杨深钦（1992-），男，硕士研究生。研究方向：无线电能传输技术。E-mail: heli_421@163.com

何笠（1991-），男，讲师。研究方向：无线电能传输技术。E-mail: heli_421@163.com