基于LCL-S型谐振的大功率无线电能 传输实验平台设计

林云志，赵争鸣

（清华大学 电机系，北京 100084）

无线电能传输技术通过向空间激发电场和磁场进行非接触式电能传送。该技术不需要借助输电线导电，具有良好的机械隔离与电气隔离特性，极大地增强了输电的灵活性、便利性及环境兼容性[1-3]，目前在电动汽车与轨道交通领域应用前景广阔。但现有无线电能传输技术难以满足受电车辆大功率负载的问题，且由于无线电能传输系统松耦合的特性，如果不进行补偿，会在整个系统中产生较大的损耗，使得整体效率和输出功率变低[4-5]。

近年来，实现了较大功率无线电能传输的主要实验平台有：哈尔滨工业大学[6-7]研制了输出功率恒定为500 W 的系统样机，样机使用的磁耦合结构的外尺寸为 306 mm×300 mm×16 mm，当传输距离为 176 mm时，能量传输效率高达 88%；上海交通大学[8]采用LCL-S拓扑结构设计了无线电能传输系统和充电机的研制方案，充电方式为先恒流后恒压，恒流电流为10 A，恒压电压为200 V，工作频率为120 kHz，功率达到 2 kW，满载效率在 93%以上；重庆大学[9]提出了基于无线电能传输技术的无线充电解决方案，系统功率可达10 kW，传输距离有35 cm，系统效率在85%以上，最大偏移距离达 20 cm；东北电力大学[10]采用串并补偿拓扑，设计了一种功率为 6.6 kW、效率为93.8%、定频20 kHz的无线电能传输系统，并验证了输出端的恒压特性。但以上实验平台的输出功率仍偏低，不能很好地满足大功率实验的需求。为此本文考虑了无线电能传输系统各种补偿方式的电路特性和应用场合，利用在发射端采用LCL型补偿结构、接收端采用S型补偿结构的方法，研制了一套大功率无线电能传输装置实验平台。

1 工作原理

1.1 LCL-S谐振拓扑建模分析

图 1为原边包含一个电压型全桥逆变器和一个LCL复合谐振网络，副边包含一个串联谐振网路和一个整流桥的LCL-S谐振拓扑简化电路图。变换器的输出通过串联连接方式为负载供电。图1中，Udc为电源，Up为高频方波电压，Lf为电感，If为电感电流，Ip为发射线圈电流，Cp为对应线圈Lp的补偿电容，Lp和Ls分别为发射线圈和接收线圈的自感，Mps为接收线圈与发射线圈之间的互感，Is为接收线圈电流，Cs为谐振电容，Us为整流桥左侧电压，Cf为补偿电容，Ucf为整流滤波电压。考虑无损情况，可列出方程为[11-12]

图1 LCL-S谐振拓扑简化电路图

首先考虑Lp和Cp，Ls和Cs谐振的情况（即Lf取值暂不限定），可解得

此外，在认为副边电流为纯正弦情况下，由于副边为不控整流，因此保持同相，于是有：

其中P为传输功率，*代表共轭，为通过Cs的电流，为通过Lf的电流。由于此处考虑无损系统，因此可认为输入功率和输出功率相等。

在设计中，需要关注Lf偏离谐振时的幅值和相角，假定

由式（1）可得

进一步整理并结合式（2）—（4），可得

整理得功率平衡公式为

1.2 同轴平行线圈互感

为使任意大小、任意距离的轴向线圈模型之间的互感系数能用关系简单明了的常用解析函数表示，采用Biot-SavartLaw导出互感系数积分公式进行数值计算。基于数值计算的方法，推导出同轴圆线圈在任意范围内的互感系数的分区近似解析表达式；数值微分解算后，得到线圈相互作用与线圈距离、大小的关系如图2所示。

图2 轴向线圈模型

图 2为两同轴圆线圈，半径分别为R1和R2，相距为d。令K=R1/R2，称为相对大小；z=d/R1，称为相对距离。由于互感系数M12=M21，由 Biot-SavartLaw可证明其互感系数M的计算式为[13-14]

其中，0μ为真空磁导率，I0为k>1时无量纲的二重积分。将K控制在 0～0.3，此时略去式（8）中的xsinθ与x2两项小值，得到互感系数的近似表达式：

其中，I为无量纲的二重积分。式（9）计算结果的相对误差在5%以内。

2 系统设计

2.1 实验平台

图3为无线电能传输的实验平台，无线电能发送模块将高频电能转化为高频磁场，进而与接收端线圈耦合。该平台主要包含电源柜、功率整流、发射结构、接收结构、谐振电容5大部分。

图 3 实验平台

2.2 发射模块

无线电能发送模块由发送线圈盘和发送端谐振电容组成，二者构成串联谐振回路。发送线圈盘由 PP板骨架、线圈、磁体以及若干固定件组成，PP板骨架结构如图 4所示。在底板上的方环区域铺设一层 15 mm厚的磁体，可保证较高的传输性能。在样机中，磁体使用64块100 mm×100 mm×15 mm的方形铁氧体块拼接而成。在嵌线板上的线槽内嵌入利兹线，利兹线规格为直径 0.1 mm×2 000股（一匝线圈由 2 000根（股）直径为 0.1 mm的铜线组成，表面缠绕着漆包线），可满足30 kW功率等级的传输需求。

图4 发送线圈盘PP板骨架结构

2.3 接收模块

无线电能接收模块由接收线圈盘和接收端谐振电容组成，二者构成串联谐振回路。其中谐振电容为定制金属膜电容，损坏率较低。接收线圈盘的骨架结构如图5所示，线槽内嵌入规格为直径0.1 mm×2 000股利兹线，可满足传输30 kW功率的需求。在磁体框中铺设一层15 mm厚的磁体。

图5 接收线圈盘骨架结构

3 平台实验

3.1 双脉冲实验

双脉冲测试电路是常见的测试功率器件特性的电路，由直流电压、二极管、SiC-MOSFET及电感和驱动电路组成。对CREE公司的SiC-MOSFET半桥模块CAS120M12BM2进行多组工作条件下的双脉冲实验分析，实验电路如图6所示。

图6 双脉冲实验电路

实验1是在开关管DS两端接入520 V左右直流电压，通过设置合适的电感值，使其电流Id=50 A。观察DS两端在关断时刻出现的电压尖峰与振荡（见图7），尖峰电压最大可达到250 V左右，振荡在6个周期左右恢复。

图7 520 V工作电压脉冲实验

实验2是在开关管DS两端接入610 V左右直流电压，通过设置合适的电感值，使其Id=60 A。观察DS两端在关断时刻出现的电压尖峰与振荡（见图8），尖峰电压最大可达到288 V左右。与实验1相比，在DS两端电压增加400 V的条件下，关断时刻电压尖峰的最大值变化在30 V以内，表现出较好的一致性。

图8 610 V工作电压脉冲实验

进一步增加负载与工作电压。实验 3是在开关管DS两端接入720 V左右直流电压，通过设置合适的电感值，使其Id=70 A。观察DS两端在关断时刻出现的电压尖峰与振荡（见图9），尖峰电压最大可达到264 V左右。与实验1和2对比，DS两端电压进一步增加，关断时刻电压尖峰的最大值变化在264 V以内，同样表现出一致性。

图9 720 V工作电压脉冲实验

重复上述实验，得到以下两组脉冲间隔为8 μs的双脉冲实验波形，如图10所示。其中，紫色为半桥模 块上管 DS两端电压波形，将半桥模块下管的体二极管作为上脉冲实验的续流二极管。从图10(a)和10(b)的两组波形可以看出，随着DS两端电压的提高，DS关断时刻的尖峰电压有所提高，但是均在较小的可控范围内。

实验结果表明，该半桥模块在电压520～720 V、电流35～50 A的工作条件下均能满足开关的快速性与可靠性要求。尖峰与振荡周期限制在一定范围内，保证了在无线电能传输的器件层面可靠性。二次关断时刻细节波形如图11所示。

图10 双脉冲实验

图11 双脉冲实验二次关断波形细节

3.2 开环控制带载实验

带载实验用于实现原边的移相角调制控制策略，通过检测副边整流后的电容电压或者负载电流的大小，将该值作为反馈量进行计算。该计算结果通过限幅环节进一步整定，最终用于控制原边移相桥臂的相位差，进而实现输出电压或输出电流的控制。

大电流探头的采样频率较慢，难以满足对原边线圈大功率电流的采样需求，而通过串接霍尔传感器进行电流采样受磁场干扰较大，因此下列实验仅对原边串联谐振电容两端电压与原边线圈电感电流进行采样。图12中绿色为谐振电容两端电压，红色为原边线圈电流。

图12 开环带载实验电路

图13为当两桥臂的移相角设置为20°时，谐振电容电压仅在波峰位置，存在因开关管导通，在流经大功率电流时，谐振电容电压产生的凸台。其余未在导通时间内，谐振电容电压接近正弦波，处在谐振工作状态，且该谐振电压与电流相位差为90°。导通期间，谐振电容两端电压值最大可达到1 800 V左右，线圈电流的峰值为14 A。

图13 移相角20°时的谐振电容电压波形

图 14为移相角从原来的 20°增大40°时的谐振电容电压波形。移相角的增大导致从原边向副边传递的能量增加，进一步增大了线圈电流有效值。另外，线圈电流的增大导致谐振回路电压乘以增益的值同等增大。谐振电容两端电压进一步提高，凸台所表示的移相角的持续时间跨度也随移相角的增大而增大。

图14 移相角为40°时的谐振电容电压波形

由此分析可知，当移相角为180°时，谐振电容两 端将具有最大的电压有效值，其细节波形如图 15所示。

图15 移相角为180°时的谐振电容电压波形

由图15可知，在导通时刻，谐振电容电压上升，同时也导致电感电流出现微小的波动，关断时刻也有类似的小幅度振荡。该振荡的大小及持续时间与原边线圈和原副边耦合电感的大小有关。

3.3 闭环控制带载实验

闭环带载实验电路如图16所示，通道1所示波形为原边电压，即A、B两点间电压；通道2所示波形为副边电压，即C、D两点间电压；通道3所示波形为原边电流，即图16中的红色剪头所示电流。

在无线传输平台的串联谐振为85、80和75 kHz时，对装置进行带载实验。在85 kHz时，前级整流直流电压为800 V，原边电压占空比为100%，负载电压最高为550 V；在80 kHz时，前级整流直流电压为800 V，负载电压可控制为600 V，带载22.6 kW，此时原边电压占空比为92.3%；在75 kHz时，前级整流直流电压为 800 V，负载电压可控制为 600 V，带载 30 kW，此时原边电压占空比为 57.1%。带载实验结果如表 1所示。

图16 闭环带载实验电路

表1 实验结果

4 结论

本文基于LCL-S型谐振，设计了一套大功率的无线电能传输装置实验平台。通过相关实验，对平台的传输性能进行了系统性分析。确定了在工作频率为75 kHz的情况下，该实验平台的负载输出功率可达 30 kW，整机效率超过了80%。该装置功率等级在相关实验平台中处于较高水平，为用于轨道交通、电动汽车的大功率无线电能传输技术提供了有效的实验平台。