电能无线传输系统双边LCC型补偿网络特性研究

姜 杉， 胥 良

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

随着电动汽车、无尾家电、移动电子产品等用电设备不断深入人们的生活，无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)的应用越来越广泛，逐渐成为国际研究热点之一。无线电能传输技术是一种新型的电能传输技术，目前无线电能传输主要有电磁感应式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光式和无线电波式。电磁感应式传输效率受距离影响显著；微波辐射式由于波长原因易对通讯造成干扰；激光式在传输过程中会散失大量能量，且会受到障碍物影响；无线电波式磁通全方位辐射，难以接收；而磁耦合谐振式传输距离中等，电磁辐射小，系统效率高，具有广阔的应用前景，如电动汽车底盘距离地面距离中等，无线充电时应避免过强的电磁辐射，大多采用磁耦合谐振式电能无线传输系统。

磁耦合谐振式无线充电系统经过近几年的发展，提出了串串SS、串并SP、并串PS、并并PP四种基本补偿网络，其中SS和SP两种补偿网络在不同参数、不同谐振频率时可分别实现恒流和恒压输出，但是只有恒流模式下的SS型补偿网络和恒压模式下的SP型补偿网络可以同时实现阻抗角为零(Zero Phase Angle,ZPA)；PS型补偿网络仅能实现恒压输出，PP型补偿网络仅能实现恒流输出[1]。基本补偿网络结构简单，也意味着参数可以调节的自由度较少，电路的恒流、恒压输出受变压器参数影响很大，大大增加了变压器设计难度，因此，各种高阶补偿拓扑应运而生。例如：为了可以得到既具备恒压特性，又具备恒流特性的多功能拓扑，提出了由开关控制改变补偿网络的复合拓扑，但是其控制方式相对复杂[2]；双边LCL无线充电系统具有恒流输出特性，参数较多，易于设计变压器，在没有恒压输出需求的情景应用较多。因此在双边LCL拓扑的基础上，提出了双边LCC拓扑，通过建立传输参数方程，探究系统实现恒流、恒压输出的不同的频率条件，搭建了仿真模型，验证了该思路的正确性。

1 双边LCC型WPT结构及分析

为了研究兼具恒流、恒压输出特性及ZPA的补偿网络，采用双边LCC型谐振拓扑，即在双边LCL型补偿网络的基础上，在发射和接收线圈支路分别串联Cp2、Cs2，能量发射端及接收端分别由LCC补偿网络构成，元件个数的增加，减小了变压器的设计难度[7]，同时使谐振系统具有不同的谐振频率，在不同的谐振频率下可高效率实现恒流和恒压输出，功率容量比LCL更大[3-6]。双边LCC型补偿网络如图1所示。

图1 双边LCC型补偿网络Fig.1 Double-sided LCC compensation network

图1中：L1、L2为原边、副边补偿电感；Cp1、Cp2、Cs1、Cs2为原边、副边补偿电容；Lp、Ls为谐振线圈电感；Lm为线圈互感。双边LCC型补偿网络漏感模型如图2所示。

图2 双边LCC补偿网络漏感模型Fig.2 Leakage inductance model of double-sided LCC compensation network

1.1 双边LCC补偿网络工作原理分析

双边LCC补偿网络的恒流、恒压特性即补偿网络输出的电流或电压与负载电阻无关，由于电池充电期间等效电阻是变化的，补偿网络的恒流、恒压特性可以保持输出的稳定性。综合文献[4-7]分析，将复杂的双边LCC谐振补偿网络简化为3个串联的二端口网络，各级输入、输出及参考方向如图3所示。

图3 双边LCC谐振网络二端口模型Fig.3 Two-port model of double-sided LCC compensation network

分别求出图3中3个二端口网络开路参数和短路参数，并列写它们的T参数方程：

故双边LCC谐振补偿网络的T参数方程为：

(1)

其中:

1.2 双边LCC补偿网络恒流输出特性分析

理想状态下的无线充电系统的传输效率应满足

(2)

由式(1)、(2)可计算得到当T11、T22=0时，系统输出具有恒流特性。

Uin=-T12Io

将图2中对应元件参数带入式(1)，得到当补偿网络各元件参数应满足如下关系时输出恒流。

此时输出电流与输入电压关系为：

(3)

其中，ωc为恒流模式下系统的工作频率。

此时双边LCC谐振系统输出恒流，输出电流仅受互感、频率、补偿电感值和输入频率影响。

1.3 双边LCC补偿网络恒压输出特性分析

由式(1)可知，当T12、T21=0时，系统输出具有恒压特性。

Uin=T11Uo

将图2中元件参数带入式(1)，恒流工作频率下得出的元件参数在恒压频率下仍然满足谐振关系，为简化计算难度，设系统满足：

ωv=λωc

可得到：

(4)

式中：k为磁耦合系数。

由此式(4)可见，可实现恒流输出、且参数满足一定条件的双边LCC补偿网络，存在特定频率可实现恒压输出，该频率为恒流工作频率的λ倍，输出电压受输入电压、磁耦合线圈自感和发射端、接收端补偿电感影响。

2 双边LCC补偿网络传输功率分析

双边LCC型电能无线传输系统的效率因能量发射端及接收端均实现ZPA而得以提升，仅考虑发射线圈与接收线圈内阻(R1=R2=0.1Ω)，其他电路元件均为理想元件条件下，根据式(3)、式(4)，实际效率应为

(5)

式中：Q1、Q2分别为原边、副边电感线圈品质因数，Q1=ωL1/R1,Q2=ωL2/R2；k为磁耦合系数。

由式(5)可见，系统的效率受磁耦合系数、线圈品质因数影响显著，但是磁耦合系数在实际应用中调节难度大，因此，提升线圈品质与工作频率可以大幅提升系统传输效率。在理想状态下磁耦合系数在0.12～0.2之间，取不同磁耦合系数对系统传输效率进行仿真，如图4所示，当Q=(Q1Q2)1/2达到500左右时，系统传输线路达到95%以上。

图4 磁耦合效率曲线Fig.4 Efficiency curves of magnetic coupling

3 仿真实验验证

根据前文分析设计出满足恒流和恒压模式条件的元件参数，输入电压Uin=220 V，输出电压Uo=100 V，输出电流Io=10 A，恒流模式工作频率fc=71 kHz,恒压模式工作频率fv=83 kHz。各元件参数如表1所示。

表1 元件参数表Table 1 Parameters of components

采用Matlab/Simulink对双边LCC补偿网络进行仿真，其负载电阻分别为5 Ω和10 Ω，验证了所提参数设计方法的正确性，得到该补偿网络的恒流、恒压输出结果，并证实了该补偿网络可实现ZPA。

实现恒流输出(Io=10 A)及ZPA仿真验证结果如图5、图6所示。

图5 RL=5 Ω双边LCC型WPT系统输出电流及ZPAFig.5 Output current and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 5 Ω

图6 RL=10 Ω双边LCC型WPT系统输出电流及ZPAFig.6 Output current and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 10 Ω

实现恒压输出(Uo=100 V)及ZPA仿真验证结果如图7、图8所示。

图7 RL=5 Ω双边LCC型WPT系统输出电压及ZPAFig.7 Output voltage and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 5 Ω

图8 RL=10 Ω双边LCC型WPT系统输出电压及ZPAFig.8 Output voltage and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL=10 Ω

4 结 语

对双边LCC型补偿网络进行了详细分析，运用网络的传输矩阵方程探究了网络的恒流、恒压及ZPA特性，并验证了系统的传输效率，证明了在不同的工作频率下，双边LCC拓扑可实现恒流、恒压输出，同时保持系统的等效阻抗呈阻性，减少损耗，在仅考虑线圈内阻的条件下，系统的传输效率可达95%以上。