无线电能传输系统线圈补偿网络设计

郝中旭 黄晓峰 陈晨

摘？要：电能的无线传输技术开辟了人类能源的另一个新时代，如利用无线电能传输来进行充电的电动汽车，以及支持无线充电的电子设备等。或许未来会进入一个无需输电线的时代。

为了研究在无线电能传输中负载发生变化时仍保证负载电流、电压恒定，同时简化系统控制复杂性，提高系统的稳定性，本文利用3种不同补偿网络设计，实现负载变化时保证其电流或电压恒定。首先通过基尔霍夫电压定律对原边、副边建模得到补偿网络的数学模型，从而剖析达到恒流或恒压输出的参数条件，然后根据其实现恒流恒压输出的参数要求，确定补偿网络中磁性元件的参数取值。

通过MATLAB设计整体网络架构，进行仿真实验，确认理论的可行性。通过Simulink仿真实验，验证了设计的可行性，在负载发生变化时，系统输出电流或者电压波动较小。能够达到恒压和恒流的要求。本设计通过设计补偿网络实现系统恒流恒压输出，相比通过控制方法实现降低了系统的复杂性，提高了系统的稳定性。

关键词：无线充电；LCC-LCC；C-LCC；LCC-C

*基金项目：湖南省自然科学基金“多功能机组绝缘故障诊断关键技术研究”，项目编号：2019JJ60060

1 绪论引言

1.1 课题的研究背景与意义

最近几年内，无线充电市场展现出勃勃生机，不断有新的产品出现[1]，包括手机、手表、汽车等等设备都在朝着无线充电的方向发展。无线充电技术也拉开了产业化的进程。尤其对于电动汽车产业，相比燃油车更加低碳环保，加上国家大力扶持，近些年发展迅猛。就动力方面而言，绝大多数燃油车比不上电动汽车，开辟了对动力有需求的购车族市场。但目前为止电动汽车发展遇到的瓶颈主要是续航及电池充电，本文主要就电动汽车充电问题展开讨论，在充电过程中，由于不同环境需求不同，其充电过程可能需要无线充电装置的恒流或恒压输出[2]。但是如今研究多关注于无线传输中功率大，效率高等问题[3-4]，对于如何保证在负载变化时负载的恒压或恒流提及很少。因此，本文通过LCC-C无线充电补偿网络设计使无线充电装置在负载发生变化时具有系统恒压输出或系统恒流输出能力。

1.2 国内外研究现状

如今，实现无线充电装置的恒流和恒压输出的途径基本有如下两种：一种方法是采用控制方式；另一种方法是采用无线电能传输系统的补偿网络设计方式。采用控制方式又分為确定占空比调节频率暨变频控制[5]和确定频率调节占空比[6]两种。

采用控制方式实现系统的恒压或恒流输出的优点是调节速度比较快，采用调频或调节占空比的方式可以使系统的调节精度比较高，因此采用控制方式一直是国内外研究的热点，同时其技术也比较成熟。但它也有不可避免的缺点，由于采用了控制方式，所使用的器件必然增多，必然会增加整体系统的复杂程度，同时也增加了系统的不稳定性，也需要额外设计其他电路，且涉及到变频控制，有时会引起频率分裂[3]。

采用无线电能传输系统补偿网络设计方式实现系统的恒流或恒压输出，一般是通过对电感、电容等磁性元件的选型以及构成不同的拓扑结构来实现。一般拓扑分为串联-串联[7]、串联-并联[8]、并联-串联[9]、并联-并联[10]四种，但由于应用于无线电能传输系统时，这四种基本的补偿网络传输的效率受到副边阻抗影响比较大，本文采用对串并联-串联的补偿网络进行设计的方式降低副边阻抗的影响，使无线充电装置在负载发生变化时具有系统恒压输出或系统恒流输出能力，同时又减少了复杂电路带来的不稳定性。

2 系统建模

建立LCC-C补偿网络中频率、磁性元件数学模型，寻找使系统输出恒压或输出恒流的条件，对磁性元件进行设计。

2.1 LCC- C补偿网络

如图1所示，LCC-C补偿网络原边包括电感L11、电容C11及电容C12、发射线圈L12。副边包括电感L22、电容C21接收线圈L21。电路依靠发射线圈和接收线圈的相互耦合来进行电能传输。其工作频率为85 kHz，互感为66 μH。

补偿网络的主要功能是实现系统恒压输出，采用LCC-C补偿网络实现系统的恒流输出可将整个系统作为一个电压源。为方便分析系统的数学模型可先将传输线圈进行解耦，具体解耦模型如图2。

图2所示为LCC-C补偿网络解耦模型，对其回路使用基尔霍夫电压定律可得原边和副边的电压方程为：

3 系统仿真

3.1 LCC- C补偿网络

LCC-C补偿网络在本题中主要实现的功能是实现系统恒压输出。

当负载电阻为5 Ω时负载电压输出波形如图3。

由图3可知，当负载为5 V时，系统输出电压稳定在10.85 V左右，系统输出电压值较低。

当负载电阻为8 Ω时，负载电压输出波形如图4。

可以看出，负载电压稳定在11.4 V左右，电压稳定性较好，波动较小，符合目标要求。

负载电阻为8 Ω时，补偿网络输入电流电压波形如图5。

可以看出，效率比较高。由图4和图5可得，当负载为8 Ω时，系统效率应为80%。可见系统功率比较高。

当负载电阻为31.6 Ω时，负载电压输出波形如图6。

由图3、图4和图6可知，相比C-LCC补偿网络，LCC-C补偿网络在低压时稳压效果较差，在负载电阻由8～31.6 Ω变换的过程中，当负载电阻为8 Ω时，负载输出电压稳定在11.4 V，当负载电阻为31.6 Ω时，负载输出电压稳定在11.8 V。负载电压变化了0.4 V，电压波动小于5%。设计符合目标要求，但整体稳压效果比C-LCC补偿网络较差，传输功率较高。

负载电阻为31.6 Ω时，补偿网络输入电流电压波形如图7。

可以看出，LCC-C补偿网络效率比较高。由图5和图7可得，当负载为31.6 Ω时，系统效率应为74.06%。系统的效率相对于8 Ω时降低了。

4 结论

电能的无线传输技术开辟人类能源的另一个新时代。如利用无线电能传输充电的电动汽车，以及支持无线充电的电子设备等。或许未来会进入一个无需输电线的时代。

为了研究在无线电能传输中负载发生变化时仍保证负载电流、电压恒定，同时简化系统控制的复杂性，提高系统的稳定性，本文利用3种不同补偿网络设计实现当负载变化时保证其电流或电压恒定。首先通过基尔霍夫电压定律对原边、副边建模得到补偿网络的数学模型，从而剖析达到恒流或恒压输出的参数条件，然后根据其实现恒流恒压输出的参数要求，确定补偿网络中磁性元件的参数取值。

在LCC-C补偿网络中，当原边补偿网络中的L11与C11谐振且副边补偿网络中的L21与C21谐振时，负载上电压输出与负载无关，且负载电压输出的大小仅由输入电压和C11决定，在给定输入电压的情况下，通过设定C11的值可得到需要的恒定输出电压大小，但其稳压效果比C-LCC补偿网络差，且在低压时稳压的效果较差，但是其传输效率比较高。

参考文献：

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