LCC-P 型谐振式无线传能电路设计

孟周江，林辉品

（1.国网浙江省电力有限公司杭州市富阳区供电公司，浙江 杭州 311400；2.杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

0 引 言

自2007 年麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科学家利用耦合谐振技术实现了中等距离的无线电力传输，无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术再度成为科技发展中的热门话题。虽然现在有线电能传输依然占据主体，但是已经有大量行业已经涉及并应用了WPT 技术，其中包括小功率无线充电产品、微小功率产品、工业领域、水下领域以及家用电器等领域。但无线传输的电能转换效率依然是限制其广泛应用的原因之一，还包括传输距离和收发方向等环境因素、成本因素带来的影响，这些都是WPT 未来发展所需要克服的问题[1]。

1 MCR-WPT 技术国内外现状

本次研究的磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）是在电磁感应式的基础上衍生出来的一种传输方式，电路谐振增强了2 个传输线圈之间的耦合性，从而延长了传输距离，提高了传输功率。目前，电磁感应式无线充电使用比较成熟，而MCRWPT 还处于初步发展阶段，因此对于MCR-WPT 的研究很有必要。

日本东京大学HORI Y 教授的团队分析了动态无线充电方式，利用动态充电进一步降低电池容量[2]。较长的发射器线圈可在一定距离内提供稳定的功率流，但发射端和接收端之间的耦合容易产生磁漏并降低效率，因此该团队提出了多发射器的方法，使每个发射端都共享逆变器并使用纵向转换损耗（Longitudinal Conversion Loss，LCL）结输出，使得接收端在沿多个发射端移动过程中可以接收恒定功率，验证了初步假设中所提出方法的准确性。美国圣地亚哥州立大学MIC 教授的团队分别对SS（串联-串联）补偿和LCC-S（电感-电容-电容）补偿拓扑结构进行研究，对比负载电阻变化对失谐拓扑结构性能的影响，结果表明双LCC-S 补偿结构在小功率传输中的性能更加优良[3]。

2 MCR-WPT 技术原理分析

LCC-P 系统的等效拓扑如图1 所示。为了使系统的能量转换效率最大，需要尽可能保证收发电路的谐振频率相同[4,5]。

图1 LCC-P 系统等效拓扑

根据基尔霍夫电压定律可以得到回路方程，即

式中：up为交流输入电源；M为线圈电感之间的耦合系数；if为正向平均电流；is为等效电源的电流；ω为系统固有的谐振角频率。

参数方程为

式中：rp、rs分别为Cp、Cs的寄生电阻；Lf、Lp分别为发射端线圈电感和接收端线圈电感；Cf、Cp分别为发射端谐振补偿电容、接收端谐振补偿电容；//代表阻抗并联运算。

由式（1）、式（2）可以得到收发线圈等效回路电流，即

则传输效率的计算公式为

根据耦合模理论可以得到反射阻抗公式为

式中：Ls为接收端线圈电感。

则得出输入端的阻抗为

当电路系统处于谐振状态时，传输效率最大，可以得出输入总阻抗，即

故可以得出谐振，其公式为

因Cp＞0，同时可以得到约束条件，即

目前，MCR-WPT 主要应用于电动汽车的无线充电部分。根据国家市场监督管理总局等部门发布的《电动汽车无线充电系统》（GB/T 38775—2020）标准，电动汽车应用的MCR-WPT 频率范围为79 ～90 kHz，这也是本次设计目标的谐振频率范围[6]。

本次设计采用的MCR-WPT 技术虽然克服了传统电磁感应松耦合的缺点，但是增加了能量的传输距离，并且能量的传输效率也受到了一定的影响。经过一系列分析，本次实验拟定输入电压为10 V，输入电流为1 A，输出电压为4 V，输出电流为1 A，输出功率为4 W，转换效率为40%

系统由提供直流输入的电源、能量发射端系统、能量接收端系统以及控制端系统构成。电源采用输出为12 V/1 A 的开关电源适配器，提供稳定的输入功率。电源部分也可使用学生电源，使输入的电压可控。系统频率为80 kHz，且驱动芯片IR2110 设有高低信号的输入，因此需要控制板STM32F103RCT6 为驱动模块提供带有死区设置的互补信号。时钟频率选择72 MHz 外部晶振，驱动信号输出频率为80 kHz，设置占空比为50%，死区时间约为150 ns。输入采用接线端子便于调试时进行调整，输入时添加的100 μF电容可以使输入的电压更加稳定[7]。

3 实验分析

为了测试电路的传输效果，先将电路板与线圈相连并固定。通过改变2 个线圈的垂直距离，发现随着距离的增加，线圈之间依然有能量的传输，但是输出电压逐渐减小。当距离达到一定值时，便接收不到能量。为了能够更加直观地观察MCR-WPT 系统的传输效果，利用示波器对各部分信号进行测量。设置单片机发出一对互补的频率为80 kHz 的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波，经过驱动电路后，输出电压得到放大。

由于存在自举电路，IR2110 芯片的输出电压值相对较低，该芯片的控制信号输出至全桥逆变电路的功率开关管，最终到谐振补偿电路。输出信号经过谐振补偿电路后，因为电路的匹配存在一定的误差，所以波形有一定的失真，可以继续调整谐振电容使波形达到相对的理想状态。发射端波形和输出端波形对比如图2 所示。

图2 发射端波形和输出端波形对比

4 结 论

文章对LCC 型磁耦合谐振式无线电能传输电路进行了建模和分析，并从耦合模型理论出发，分析了LCC-P 型补偿拓扑结构的应用，发现其可以降低开关损耗，并提高了系统的传输效率。系统介绍了各个模块的结构设计以及芯片、元器件的选型，通过与同类电路的比较，选择了与本次设计较为契合的结构。通过对电路耦合结构的设计进行分析，制作了手绕线圈电感作为能量传输的媒介。结合各种理论设计原理图，并最终构建了实物模型，具有一定的应用价值。