一種基于新型拓撲的動態(tài)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)研究

余 進 杜凱軍 高世萍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

一種基于新型拓撲的動態(tài)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)研究

余 進 杜凱軍 高世萍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

當感應(yīng)電能傳輸（inductive power transfer, IPT）系統(tǒng)為軌道機車負載供電時，其發(fā)射線圈通常采用長D型結(jié)構(gòu)，但D型結(jié)構(gòu)作為發(fā)射線圈會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾問題，本文利用8字型線圈結(jié)構(gòu)作為發(fā)射線圈，同時考慮到利用傳統(tǒng)D型接收線圈時，因發(fā)射線圈與接收線圈間的互感值變化幅度大，使得其IPT系統(tǒng)輸出功率嚴重失衡甚至無功率輸出，這樣嚴重影響IPT系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此本文將DDQ型結(jié)構(gòu)作為接收線圈以改善IPT系統(tǒng)的功率特性。最后，構(gòu)建一個基于8字型發(fā)射線圈以及DDQ型接收線圈的IPT實驗系統(tǒng)。實驗驗證了該方法可以有效改善其功率特性。

感應(yīng)電能傳輸；動態(tài)供電；8字型發(fā)射線圈；DDQ型接收線圈

感應(yīng)電能傳輸（inductive power transfer, IPT）技術(shù)顛覆了利用導線實現(xiàn)能量交互的傳統(tǒng)觀念，其以空間中的磁場為媒介，將能量以非接觸的方式實現(xiàn)電源與負載的交互。利用IPT系統(tǒng)對移動負載供電時，其特殊的非接觸供電方式可以有效避免因機械磨損、碳積導致的導線老化、短路等不確定因素帶來的安全風險。因此，IPT技術(shù)引起國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)以及專家的高度關(guān)注[1-4]。

與傳統(tǒng)的導線接觸供電系統(tǒng)相比，利用IPT系統(tǒng)對移動負在供電時具有無可比擬的優(yōu)勢。隨著高頻電力電子技術(shù)的技術(shù)的成熟以及半導體器件制作工藝的逐步提高，使得IPT技術(shù)在電動汽車、軌道機車等多種移動設(shè)備上都有廣泛應(yīng)用。一般來說，對移動負載供電的發(fā)射線圈為長直軌道[5]，普通的D型長直軌道的磁路特性決定了其漏磁大，這樣對周圍生物體造成一定影響，且會使得發(fā)射線圈與接收線圈間的互感受其偏移影響顯著[6]。文獻[7]提出利用順時針和逆時針交替繞制的線圈環(huán)組成的8字型發(fā)射線圈可以實現(xiàn)降低漏磁，增大拾取線圈與接收線圈的偏移并可以有效提高功率，然而其輸出功率波動較大。文獻[8]通過對空間平行位置的環(huán)線線圈磁耦合結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化顯著降低了系統(tǒng)成本和車載設(shè)備重量。文獻[9]分析出 DDQ型的線圈繞制方式使得線圈間無互感存在，這樣可以利用簡單的電容參數(shù)配置方式實現(xiàn)IPT系統(tǒng)的諧振。

為解決文獻[6]中8字型發(fā)射線圈傳輸功率波動大的問題，本文將8字型線圈作為發(fā)射線圈，并結(jié)合DDQ型接收線圈組成IPT系統(tǒng)的能量發(fā)射以及接收機構(gòu)，利用DDQ型接收線圈來改善8字型發(fā)射線圈的功率特性。

1 基于8字型發(fā)射線圈及DDQ型接收線圈的IPT系統(tǒng)分析

圖1（a）中，E為直流源，L0為發(fā)射線圈，C0為發(fā)射線圈在設(shè)定頻率下的諧振補償電容，L1和L2為接收線圈，在設(shè)定頻率下的諧振補償電容為 C1和C2且發(fā)射線圈與接收線圈間的互感分別為M1和M2。設(shè)定Rac是直流電阻Rdc在交流側(cè)的等效電阻，在串聯(lián)諧振補償電路中整流橋前的交流電阻與整流橋后的直流電阻間的等效關(guān)系[10]可表示為

圖1 IPT系統(tǒng)原理圖及其等效電路圖

根據(jù)DD接收線圈和Q接收線圈的并聯(lián)關(guān)系。得到兩線圈的等效交流電阻關(guān)系表達式為

圖2中的8字型發(fā)射線圈是通過順時針和逆時針交替繞線線圈的方式實現(xiàn)相鄰兩線圈環(huán)的磁場方向相反，這樣通過增強相鄰線圈環(huán)間的磁場交互來減小發(fā)射線圈漏磁，以降低其對外界環(huán)境的影響。DDQ型的線圈作為接收線圈且發(fā)射線圈和接收線圈的所有線圈環(huán)大小相等；當DD接收線圈與發(fā)射線圈兩相鄰線圈環(huán)正對時，DD接收線圈與發(fā)射線圈間的互感最大且Q接收線圈與發(fā)射線圈間的互感為零；當Q接收線圈與發(fā)射線圈某一線圈環(huán)正對時，Q接收線圈與發(fā)射線圈間的互感最大且DD接收線圈與發(fā)射線圈間的互感為零。圖中δ 代表兩接收線圈外側(cè)邊緣與發(fā)射線圈外側(cè)邊緣的相對位置，隨著δ 的逐漸增大，使得發(fā)射線圈與 DD接收線圈和 Q接收線圈的互感交替增大，進而使得其感應(yīng)電壓交替增大。

圖2 8字型發(fā)射線圈與DDQ型接收線圈磁場分布以及其相對位置簡圖

圖1（b）中二次側(cè)接收線圈1的輸入阻抗Z1=R1，接收線圈2的輸入阻抗Z2=R2，此時二次側(cè)電路反射到一次側(cè)電路的等效阻抗為

兩接收線圈的并聯(lián)關(guān)系得到一次側(cè)電路總反射阻抗Z0=Zr1+Zr2。

當M1＞M2時，DD接收線圈的感應(yīng)電壓大于Q接收線圈的感應(yīng)電壓，此時因Q接收線圈的整流器的二極管工作在截止狀態(tài)使得使得Q接收線圈無功率輸出即Zr2=0，若只有DD接收線圈能正常工作，則一次側(cè)電路總反射阻抗Z0=Zr1+Zr2=Zr1且R1=Rac。那么逆變器的輸出電壓以及輸出功率 P（等于負載消耗功率）為

當M1=M2時，DD接收線圈的感應(yīng)電壓等于Q接收線圈的感應(yīng)電壓，此時DD接收線圈和Q接收線圈都能正常工作，則一次側(cè)電路總反射阻抗Z0=Zr1+Zr2且 R1=R2=Rac。那么逆變器的輸出電壓以及輸出功率P為離為100mm。

表1 IPT系統(tǒng)參數(shù)值

當M1＜M2時，DD接收線圈的感應(yīng)電壓小于Q接收線圈的感應(yīng)電壓，此時因DD接收線圈的整流器的二極管工作在截止狀態(tài)使得Q接收線圈無功率輸出即Zr1=0，若只有Q接收線圈能正常工作，則一次側(cè)電路總反射阻抗Z0=Zr1+Zr2=Zr2且R2=Rac。那么逆變器的輸出電壓以及輸出功率P為

根據(jù)式（4）、式（5）和式（6）可知，DDQ型接收線圈并聯(lián)為負載供電時，只有發(fā)射線圈與DDQ型接收線圈間互感較大的接收線圈工作。因此，M1=M2時為基于8字型發(fā)射線圈及DDQ型接收線圈的IPT系統(tǒng)工作時的互感最小值，此時 DD型接收線圈和Q型接收線圈能夠同時為負載供電且在逆變器恒流工作時IPT系統(tǒng)的輸出功率最小。若要實現(xiàn)DD接收線圈和Q接收線圈的輸出功率最大值相等，則需要實現(xiàn)發(fā)射線圈與DD接收線圈和Q接收線圈的互感最大值相等。

2 實驗驗證

IPT系統(tǒng)采用表 1所示的系統(tǒng)參數(shù)并結(jié)合圖 1（a）中的結(jié)構(gòu)示意圖搭建了如圖3所示的IPT實驗系統(tǒng)，其中8字型發(fā)射線圈與DDQ型接收線圈組成IPT系統(tǒng)的傳能裝置，其中發(fā)射線圈和接收線圈的所有線圈環(huán)大小相等，其發(fā)射線圈與接收線圈間距

圖3 實驗裝置圖

通過圖4可以看出，當發(fā)射線圈與DD接收線圈和Q接收線圈間的互感相等時，兩接收線圈同時工作，但受補償電容容差以及發(fā)射線圈與兩接收線圈互感參數(shù)誤差等影響使得DD接收線圈和Q接收線圈的輸出功率未完全相等，考慮誤差影響實現(xiàn)了理論分析中互感相等時兩接收線圈能同時工作且輸出功率相等的結(jié)論。

圖5所示為DD接收線圈輸出功率最大時的波形圖以及IPT系統(tǒng)各節(jié)點的功率圖，從圖中可以看出，只有DD接收線圈工作且此時的輸出功率遠大于發(fā)射線圈與接收線圈互感相等時的輸出功率，此時的工作效率才能達到90.67%。

圖4 當M1=M2時，DDQ接收線圈電壓、電流波形及IPT系統(tǒng)輸入、輸出功率圖

圖5 DD接收線圈輸出功率最大時，DDQ接收線圈電壓、電流波形及IPT系統(tǒng)輸入、輸出功率圖

對比圖6（a）中D型接收線圈與DDQ型接收線圈輸出功率圖，可以看出，基于D型接收線圈的IPT系統(tǒng)受發(fā)射線圈與接收線圈間互感變化影響，使其輸出功率震蕩嚴重且存在輸出功率死區(qū)（無功率輸出點）；然而利用DDQ型接收線圈的IPT系統(tǒng)的輸出功率無死區(qū)且有效改善了功率輸出的不平衡度；同時驗證了理論分析中發(fā)射線圈與兩接收線圈互感相等時輸出功率最低的結(jié)論。對比分析圖6（b）可以看出，利用DDQ型電路拓撲可以有效解決IPT系統(tǒng)工作在死區(qū)時效率低的問題。因此可以看出，DDQ型接收線圈可以明顯改善基于8字型發(fā)射線圈的功率特性。

圖6 D型接收線圈與DDQ型接收線圈輸出功率以及其效率對比圖

圖7所示為隨著發(fā)射線圈與接收線圈相對移動過程中，DDQ型接收線圈中DD型接收線圈輸出功率與Q型接收線圈輸出功率曲線圖。通過上述功率圖可以看出，在隨著發(fā)射線圈與接收線圈相對位置的變化，DD型接收線圈與Q型接收線圈交替為負載供電。

圖7 DD接收線圈正常工作時DD接收線圈和Q接收線圈的輸出功率曲線圖

3 結(jié)論

為減小傳統(tǒng)D型發(fā)射線圈對周圍環(huán)境電磁干擾的影響，本文利用8字型線圈作為IPT系統(tǒng)的發(fā)射線圈。通過實驗證明了利用DDQ型接收線圈，可以有效改善傳統(tǒng)D型接收線圈的功率特性，且顯著提高其低功率時的工作效率。

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Research on Dynamic Inductive Power Transfer System based on a New Topology

Yu Jin Du Kaijun Gao Shiping
(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao, Shandong 266111)

When inductive power transfer (IPT) system serves forthe IPT system serves for rail locomotive, D-type is usuallyused as the transmitter coil and receiver coil. For the transmitter is long, it can result in serious electromagnetic interfere (EMI) issues. Therefore, a 8-typetransmitter coil is applied in IPT system. Because mutual inductance between transmitting coil and receiving coil changessharply, it seriously affectsIPT system output power. Therefore, the DDQ-type coil is used as the receivercoil to balance the output power of IPT system. Finalliy, an IPT experimental system based on 8-type transmitter coil and DDQ-type receiver coil is constructed, and the experimental results show that this method can effectively improve the output power performance.

inductive power transfer；dynamic power supply；8-type transmitter coil；ddq-type receiver coil

余 進（1973-），男，陜西南鄭人，博士，高級工程師，主要從事感應(yīng)供電技術(shù)在交通領(lǐng)域應(yīng)用研究工作。