感應(yīng)耦合傳輸系統(tǒng)的建模分析

趙一帆，韓如成，劉紅兵

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原030024）

感應(yīng)耦合傳輸系統(tǒng)的建模分析

趙一帆，韓如成，劉紅兵

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原030024）

針對(duì)非接觸電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)負(fù)載變換時(shí)造成原邊回路電流不能保持恒定的問題，介紹了一種新型的基于LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的ICPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。建模分析了基于LCL補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)的等效電路模型，并對(duì)LCL型ICPT系統(tǒng)所表現(xiàn)出的恒流、恒壓特性進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，為ICPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析提供了良好思路。

電能傳輸；非接觸式；感應(yīng)耦合

1 引言

隨著智能技術(shù)與電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，非接觸式電能傳輸 CPT（Coupled power transfer）技術(shù)［1、2］作為一種新型的電能傳輸技術(shù)而逐漸被人們所采用，其打破了傳統(tǒng)的電能傳輸必須依靠接觸導(dǎo)體的束縛，實(shí)現(xiàn)了電源與用電設(shè)備之間在非物理接觸情況下的能量傳輸。該技術(shù)具有便捷、安全、低維護(hù)、可靠性高及環(huán)境親和力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)電能傳輸方式所帶來的有磨損、有火花等缺點(diǎn)，在潮濕、水下、易燃、易爆等特殊環(huán)境下有廣闊的應(yīng)用前景。感應(yīng)耦合式電能傳輸ICPT（Inductively coupled power transfer）技術(shù)相對(duì)于其它方式（磁共振、微波式等）是一種更為成熟的無線輸電技術(shù)，其傳輸功率和效率均較高，未來有很高的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景［3］。

ICPT技術(shù)是以電磁感應(yīng)為基本原理，將電能轉(zhuǎn)化為磁能，使用松耦合變壓器，在較大的氣隙內(nèi)通過磁場(chǎng)將能量從原邊耦合線圈傳遞到副邊線圈。松耦合變壓器一方面使系統(tǒng)的原、副邊實(shí)現(xiàn)了能量的非接觸式傳輸，但另一方面因其漏感大、耦合系數(shù)很低而限制了系統(tǒng)的傳輸功率和效率。為此，ICPT系統(tǒng)通常會(huì)在初、次級(jí)電路中添加補(bǔ)償電路，以構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)來減小線路損耗、開關(guān)損耗及器件應(yīng)力。最常用的補(bǔ)償方式有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償，在初、次級(jí)電路中分別串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償電路，有4種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，即串－串（SS）結(jié)構(gòu)、串－并（SP）結(jié)構(gòu)、并－串（PS）結(jié)構(gòu)和并－并（PP）結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［4、5］對(duì) 4 種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比和分析，并得出了4種傳統(tǒng)補(bǔ)償電路，它們分別適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。ICPT系統(tǒng)采用并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，由于諧振頻率隨著負(fù)載的變化而變化，所以其不適合可變負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合；初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償由于輸入電流和初級(jí)電流相等，若副邊電路不存在或負(fù)載很小時(shí)，原邊電路會(huì)產(chǎn)生很大的電流，所以初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償僅適用于初級(jí)電流較小的非接觸性電能傳輸系統(tǒng)。

LCL屬于廣義的T型諧振網(wǎng)絡(luò)［6］，是一種混合補(bǔ)償，具有恒流源特性和單位功率因數(shù)的特點(diǎn)。本文使用的非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型利用LCL補(bǔ)償特性，通過諧振變換的方式，直接實(shí)現(xiàn)原邊恒流、副邊恒壓。本文主要探討LCL型高階ICPT系統(tǒng)，給出其參數(shù)設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式相比，LCL型ICPT系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)，能夠有效改進(jìn)系統(tǒng)的性能。

2 LCL型ICPT系統(tǒng)原理與建模

2.1 基于LCL補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)原理

典型的基于LCL諧振補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)的主電路由原邊發(fā)射端和副邊拾取端兩部分組成。其中原邊側(cè)是由S1－S4組成的全橋逆變電路、初級(jí)電感LP、初級(jí)補(bǔ)償電容CP和松耦合變壓器初級(jí)線圈LP組成的LCL諧振網(wǎng)絡(luò)電路。輸入的直流電壓Uin通過逆變器和LCL諧振網(wǎng)絡(luò)，在原邊發(fā)射線圈LP上產(chǎn)生一個(gè)高頻交變電流，從而在附近產(chǎn)生一個(gè)同頻率的交變磁場(chǎng)，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，副邊拾取線圈LS上能感應(yīng)出一個(gè)高頻交變電壓，補(bǔ)償電容CS與副邊接收線圈LS諧振，并經(jīng)過整流環(huán)節(jié)為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。

圖1 LCL型ICPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 基于LCL補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)建模

感應(yīng)耦合機(jī)構(gòu)（松耦合變壓器）和諧振網(wǎng)絡(luò)是整個(gè) ICPT 系統(tǒng)中最為重要的兩個(gè)部分［7、8］。為了更好地分析ICPT系統(tǒng)，為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，需要對(duì)整個(gè)ICPT系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

由于ICPT系統(tǒng)使用的松耦合變壓器的耦合性能較差，原、副邊不能滿足匝比關(guān)系，因此本文使用更合適的互感模型來表示系統(tǒng)的等效電路［9］。如圖2所示為基于LCL型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的ICPT系統(tǒng)等效電路圖。過數(shù)學(xué)計(jì)算求得，。為了簡(jiǎn)化分析，根據(jù)正弦等效原理，副邊整流濾波電路可以等效為電阻（RL＝8／π2R0），Zs為次級(jí)阻抗，Zr為次級(jí)電路通過 M反映到初級(jí)電路的反映阻抗。

圖2 LCL型ICPT系統(tǒng)等效電路圖

這里假設(shè)所有的開關(guān)管都是理想的，且輸入的電源視為一個(gè)理想的直流電壓源，其中－jωMIS和jωMIP分別為原、副邊的互感電動(dòng)勢(shì)。在實(shí)際電路中，相對(duì)于負(fù)載而言，Lr、Lp、Ls的電阻較小，所以可以忽略不計(jì)。其中初、次級(jí)線圈的互感M可以通

3 LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)及特性分析

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，基于LCL補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)的元件參數(shù)更為復(fù)雜但相對(duì)靈活。依據(jù)圖2等效模型可知，副邊電路的總阻抗ZS為：

由于副邊線圈在原邊要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，就相當(dāng)于副邊電路會(huì)在原邊產(chǎn)生一個(gè)等效的反映阻抗，其值為：

則系統(tǒng)總阻抗Zt為：

令Z→0，可得：

此時(shí)，可以求得ICPT系統(tǒng)的諧振頻率。

進(jìn)一步分析，ICPT系統(tǒng)的總輸入阻抗Zt包括實(shí)部

虛部

為了保持逆變器的輸出電壓與輸出電流同相位，那么就要求虛部為0，這樣逆變器只需要給負(fù)載提供有功功率?？梢越频玫较率剑?/p>

這可以看出逆變輸出電流Ir與原邊諧振電流Ip的比例關(guān)系，并看出兩者的相位差為180°。

3.2 特性分析

對(duì)于ICPT系統(tǒng)而言，負(fù)載擾動(dòng)是不可避免的。只要實(shí)現(xiàn)原邊發(fā)射線圈電流恒定，就能使變壓器的次級(jí)系統(tǒng)獲得恒定功率。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于帶負(fù)載且要求有額定電壓或電流的用電設(shè)備（電池、電機(jī)等）而言，實(shí)現(xiàn)副邊恒壓或者恒流就顯得很重要［10］。

仍然以圖2為研究對(duì)象，當(dāng)取

此時(shí)系統(tǒng)原邊諧振電流Ip為

由上式可以看出，原邊諧振電流與負(fù)載R無關(guān)，系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的恒流特性。

如圖3所示為副邊電路使用LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)的等效電路圖。其中LS、CS、Lf組成了LCL型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，可知流過負(fù)載的電流為：

副邊總阻抗為：

流過副邊線圈的電流為：

當(dāng)諧振頻率滿足

可得負(fù)載電流

可見副邊電路使用LCL諧振補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)輸出電流只與互感M和次級(jí)線圈電感Ls有關(guān)，與負(fù)載RL的大小無關(guān)，且與原邊諧振電流成正比關(guān)系，電路表現(xiàn)出恒流輸出特性。

同理，分析副邊LCL電路的恒壓特性，可以計(jì)算出負(fù)載電壓

其與負(fù)載大小無關(guān)，與原邊諧振電流成正比關(guān)系。

通過對(duì)LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于原邊和副邊的特性分析可知，其自身穩(wěn)定，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了損耗，節(jié)省了成本，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有很好的改進(jìn)效果。

4 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)上述的分析，利用Matlab軟件搭建系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真研究，分析其恒流特性與恒壓特性。

如圖4所示為原邊恒流原理圖。系統(tǒng)在固定開關(guān)頻率20kHz驅(qū)動(dòng)逆變器情況下運(yùn)行，原邊使用基于LCL諧振網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要參數(shù)為直流電源 Uin＝60V，Lr＝110.3μH，Lp＝112.3μH，Cp＝0.68μF，Ls＝112μH，Cs＝0.67μF。如圖 5 所示為副邊電路的負(fù)載在 0.04s、0.06s、0.08s 依次減小狀態(tài)下的原邊諧振電流Ip與逆變電流Ir的仿真波形圖。由圖可知，在副邊電路負(fù)載減小的情況下，逆變輸出電流隨著負(fù)載的變小而變小，而原邊線圈諧振電流則表現(xiàn)出了很好的恒流效果，滿足了次級(jí)系統(tǒng)獲得恒定功率的目的。

圖4 原邊恒流原理圖

為了驗(yàn)證其恒壓特性，系統(tǒng)副邊同樣使用基于LCL的諧振網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。在滿足理論分析的條件下，采用硬開關(guān)頻率20kHz驅(qū)動(dòng)原邊電路逆變器，對(duì)系統(tǒng)副邊輸出電壓進(jìn)行仿真研究。原邊元件參數(shù)不變，電壓源 Uin＝140V，副邊

圖5 原邊恒流特性仿真圖

圖6 副邊恒壓原理圖

元件參數(shù)調(diào)整為：Ls＝112μH，Lf＝110μH，Cs＝0.94μF，如圖7所示為負(fù)載恒壓仿真圖，由圖可知，負(fù)載電壓和原邊諧振電流表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性，說明了理論分析的正確性。同樣可以看出，在高電壓情況下，逆變電流也能表現(xiàn)出不錯(cuò)的穩(wěn)定性。

圖7 負(fù)載恒壓仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了一種基于LCL諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的非接觸電能輸電系統(tǒng)（ICPT）。對(duì)ICPT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對(duì)基于LCL的諧振補(bǔ)償感應(yīng)耦合機(jī)構(gòu)的建模方法進(jìn)行了分析，對(duì)基于LCL的諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)基于LCL的諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)ICPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了其原邊恒流及副邊恒流恒壓的特性，為ICPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一個(gè)良好的思路。

［1］J.T.Boys，Green A W.Inductively coupled power transmission concept－design and application［J］.PENZ Trans，1995，22（1）：1－9.

［2］J.T.Boys，G.A.Covic，A.W.Green.Stability and control of inductively coupled power transfer systems［J］.IEEE Electric Power Applications，2000（1）：37－43.

［3］楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等.無接觸電能傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（7）：6－13.

［4］Chwei－Sen Wang，Grant A.Covic，Oskar H.Stielau.Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（1）.

［5］周雯琪，馬 皓，何湘寧.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)不同補(bǔ)償拓?fù)涞难芯浚跩］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（1）：133－139.

［6］C.Y.Huang，J.T.Boys，G.A.Covic，S.Ren.LCL pick－up circulating current controller for inductive power transfer systems［J］.IEEE Energy Converters.

［7］H.H.Wu，G.A.Covic，J.T.Boys，D.Robertson.Aseriestuned inductive power transfer pickup with a controllable AC voltage output［J］.IEEETrans.onPowerElectronics，2011，26（1）：98－109.

［8］武 瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析［J］.電工電能新技術(shù)，2003，22（4）：10－13.

［9］蘇玉剛，王智慧，孫 躍，等.非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（7）：92－97.

［10］Y.Su，C.Tang，S.Wu，Y.Sun.Research of LCL resonant inverter in wireless power transfer system［A］.Proc.of Conf.on Power Syst.Technol［C］.China Chongqing，2006.1－6.

Modeling analysis of inductive coupling power transmission system

ZHAO Yi－fan，HAN Ru－cheng，LIU Hong－bing
（College of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

As regard to the problem of the current of the primary loop cannot be constantly maintained due to the ICPT load changes，a new type of ICPT topology based on LCL resonant compensating network is proposed.The equivalent circuit model of the ICPT system based on LCL compensation is established and analyzed.The constant current and constant voltage properties showed by the ICPT system are analyzed and verified by Matlab simulation，and which provide a good thinking for design and analysis of the ICPT system.

power transmission；contactless；inductive coupling

TM72

A

1005—7277（2016）05—0026—04

趙一帆（1990－），男，碩士，主要研究方向?yàn)榉墙佑|式電能傳輸技術(shù)。

2016－07－11