軌道交通無線電能傳輸效率研究

樂文韜，呂 卓，劉華東

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

軌道交通要求具有高安全性、高平順性、高穩(wěn)定性、高可靠性及高精確度等特點。要確?！拔甯摺钡膶崿F(xiàn)，要點之一是處理好受電弓與接觸網(wǎng)之間的關(guān)系，解決高速運行過程中的受流問題。列車在高速運行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關(guān)系會受到摩擦、離線、振動、打弧和環(huán)境惡劣等多方面挑戰(zhàn)；而無線電能傳輸?shù)墓╇姺绞剑涔W(wǎng)間允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，可以從根本上避免由于受電弓滑板在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上滑動取電而造成的材料磨損問題，即使在覆冰、大風(fēng)等惡劣天氣下，依然能夠穩(wěn)定、可靠地供電。鑒于無線電能傳輸技術(shù)的諸多優(yōu)點，其已成為軌道交通領(lǐng)域近年來國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)的研究熱點[1-2]。

國外對無線電能傳輸技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用研究起步較早。2009 年，德國在試驗線上完成了對TR09 型磁浮列車無線供電裝置的測試，在40 mm 弓網(wǎng)間隙下可傳輸?shù)碾娔芄β蕿?50 kW，系統(tǒng)運行頻率為20 kHz[3]。2013 年，加拿大龐巴迪公司旗下的PRIMOVE 品牌推出了針對有軌電車的無線電能傳輸技術(shù)解決方案，其輸出功率可達100～250 kW，最高效率可達92%[4]。2014 年，韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院和韓國鐵路研究院研究人員將無線電能傳輸功率等級提升至800 kW，空氣間隙5 cm，傳輸效率可達82.7%。國內(nèi)這方面的研究起步稍晚，天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授研究團隊[5]、中科院電工所史黎明教授團隊[6]、西南交通大學(xué)麥瑞坤團隊[7]都對無線供電系統(tǒng)的建模與設(shè)計、級聯(lián)型大功率諧振逆變器、動態(tài)調(diào)諧方法等理論方面進行了大量的研究工作。

目前國內(nèi)關(guān)于無線電能傳輸?shù)难芯看蠖嗉性谑謾C、電動汽車[8-10]等中小功率應(yīng)用上，在軌道交通等需要大功率無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用方面鮮有人涉足。本文針對大功率無線電能傳輸所面臨的低效率、高輻射等問題，提出了一種多線圈耦合的LCL-S 拓撲，通過諧振電路設(shè)計，實現(xiàn)發(fā)射端高頻逆變器的零電壓開通，能夠減小系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率；其次，在電磁耦合機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上，提出一種8 字形線圈結(jié)構(gòu)，以減少耦合機構(gòu)漏磁通，有效降低無線電能傳輸系統(tǒng)對外輻射干擾，從而提高系統(tǒng)對外的安全性。最后，針對所提方法，搭建了150 kW 雙線圈耦合的樣機進行相關(guān)實驗驗證。

1 多線圈耦合的LCL-S 拓撲分析及軟開關(guān)技術(shù)

1.1 LCL-S 拓撲分析

在軌道交通供電應(yīng)用中，無線供電電源的主要作用是給車輛提供穩(wěn)定的直流母線。對于無線電能傳輸系統(tǒng)的LCL-S 型補償電路拓撲[11-12]，通過選擇合適的電路參數(shù)，可以實現(xiàn)輸出直流電壓不隨負載變動而變化，適用于軌道交通應(yīng)用。忽略線圈內(nèi)阻，LCL-S 型電路拓撲如圖1 所示。圖中，LR為一次側(cè)前置串聯(lián)電感器，CP為一次側(cè)并聯(lián)電容器，LP為一次側(cè)線圈自感，LS為二次側(cè)線圈自感，CS為二次側(cè)串聯(lián)電容器，M為一次側(cè)、二次側(cè)線圈間的互感，RL為負載，Uin為系統(tǒng)輸入電壓。

LCL-S 型補償拓撲結(jié)構(gòu)的等效電路如圖2 所示。圖中，jωMIp為二次側(cè)感應(yīng)電壓，Iin為系統(tǒng)輸入電流，Ip為一次側(cè)線圈電流。

圖2 LCL-S 型拓撲等效電路Fig. 2 Equivalent circuits of LCL-S topology

由式（1）、式（2）及式（5）可知，二次側(cè)電路折算到一次側(cè)的反映阻抗為

由式（6）可知，在諧振狀態(tài)下，Zr表現(xiàn)為純阻性，此時系統(tǒng)中LR和CP的設(shè)置如下：

結(jié)合式（3）、式（6）～式（8）可得到諧振狀態(tài)下系統(tǒng)的輸入阻抗：

通過式（9）可知，系統(tǒng)呈現(xiàn)純阻性，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)輸入。

另外，結(jié)合式（4）、式（5）、式（7）和式（8），分別得到系統(tǒng)一次側(cè)電流IP和二次側(cè)輸出電壓Uo：

由式（10）和式（11）可知，在系統(tǒng)處于諧振的工況下，一次側(cè)輸入電流只與Uin有關(guān)，當(dāng)輸入電壓不變時，一次側(cè)輸入電流保持恒定，這樣能保證系統(tǒng)的發(fā)射端時刻工作在最大激磁狀態(tài)下；系統(tǒng)輸出電壓只受電路輸入電壓和松耦合變壓器互感的影響，當(dāng)輸入電壓及變壓器互感不變時，輸出電壓保持不變。

1.2 多接收線圈效率提升分析

受車體空間的限制，接收線圈尺寸結(jié)構(gòu)會遠小于發(fā)射線圈的，導(dǎo)致系統(tǒng)互感偏小，能量傳輸效率及功率低下。為提升系統(tǒng)的傳輸效率，提高系統(tǒng)的輸出功率，同時也為減小單接收線圈在大功率傳輸過程中過高的溫升，在軌道交通應(yīng)用中，無線電能傳輸系統(tǒng)一般采用多接收線圈的耦合結(jié)構(gòu)[13]。

LCL-S 型單接收線圈的電路拓撲如圖3 所示。圖中，R1和R2分別為一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的內(nèi)阻。

圖3 單接收線圈電路Fig. 3 Single receiving coil circuit

由式（11）可得系統(tǒng)輸出功率：

由式（2）和式（3）可得

結(jié)合式（12）和式（13），可以得到單接收線圈的耦合機構(gòu)系統(tǒng)效率：

通 常， 線 圈 內(nèi) 阻 遠 小 于 等 效 負 載RL， 且ω2M2>>RL，因此可以認(rèn)為

圖4 多接收線圈電路與單接收線圈電路之間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between multiple-receiving-ciol circuit and single receiving coil circuit

多接收線圈的效率η′為

結(jié)合式（15）和式（16）可知，多線圈耦合機構(gòu)的效率要高于單線圈耦合機構(gòu)的。實際應(yīng)用中，選取接收線圈數(shù)量時還需要綜合考慮變流器利用率、裝置成本及系統(tǒng)控制的復(fù)雜度等因素。

1.3 SiC 全橋逆變器軟開關(guān)設(shè)計

對于無線電能傳輸系統(tǒng)，由于耦合機構(gòu)一次側(cè)、二次側(cè)分離，其耦合系數(shù)僅在0.1～0.5 之間，遠小于傳統(tǒng)變壓器的耦合系數(shù)。為提升系統(tǒng)的能量傳輸能力，提高系統(tǒng)工作頻率是十分必要的，但是這會急劇增加逆變器的開關(guān)損耗，而軟開關(guān)技術(shù)能夠有效降低開關(guān)損耗。

為實現(xiàn)高頻逆變器零電壓開通，整個系統(tǒng)應(yīng)呈弱感性，即逆變器輸出電壓超前輸出電流；同時為了確保LCL-S 電路拓撲一次側(cè)線圈恒流、二次側(cè)輸出恒壓的特性，由1.1 節(jié)可知，應(yīng)保證前置串聯(lián)電感與一次側(cè)并聯(lián)電容，二次側(cè)線圈與二次側(cè)串聯(lián)電容在工作頻率下分別處于諧振狀態(tài)。因此當(dāng)一次側(cè)線圈電感、二次側(cè)線圈電感、前置串聯(lián)電感、一次側(cè)并聯(lián)電容及二次側(cè)串聯(lián)電容大小恒定時，可在一次側(cè)線路中在串入電容器CLT，通過調(diào)節(jié)其容值來改變系統(tǒng)整體阻抗特性，使得逆變器處于軟開關(guān)狀態(tài)，并且使得系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1，從而提高有功功率輸出。當(dāng)二次側(cè)處于完全諧振狀態(tài)時，二次側(cè)等效到一次側(cè)的阻抗呈純阻性，此時系統(tǒng)一次側(cè)等效電路如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)一次側(cè)等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of the primary side of the system

此時，逆變器輸出電流與輸出電壓之間的比值為

當(dāng)前置串聯(lián)電感器與并聯(lián)電容器處于諧振狀態(tài)時，式（17）可被化簡為

設(shè)逆變器輸出電流滯后輸出電壓的角度為θ，則

由式（19）可以看出，當(dāng)LR，LP和R都恒定時，可以通過調(diào)節(jié)CLT的容值來改變輸入電流滯后輸入電壓的角度，從而改變逆變器的關(guān)斷電流。關(guān)斷電流ioff與開關(guān)管并聯(lián)結(jié)電容充放電時間T1與二極管續(xù)流時間Tc關(guān)系如下：

式中：Coss——結(jié)電容；ΔU——結(jié)電容充放電階段端電壓變化值；Ipk——逆變器輸出電流峰值。

綜上可知，通過改變CLT容值，可以改變開關(guān)管并聯(lián)結(jié)電容充放電時間及二極管續(xù)流時間，進而改變逆變器開關(guān)狀態(tài)，不僅使得逆變器實現(xiàn)零電壓開通，同時能夠合理控制系統(tǒng)功率因數(shù)，提高系統(tǒng)功率輸出。

2 8 字形耦合線圈設(shè)計

在大功率軌道交通應(yīng)用中，耦合線圈的漏磁大小、抗偏移能力等性能是被關(guān)注的重點。目前最常用的耦合線圈為圓形線圈[14-15]，其結(jié)構(gòu)簡單，耦合系數(shù)相對較高；但是漏磁場相對較大，抗偏移能力差。為提升耦合機構(gòu)的抗偏移能力以及降低漏磁場水平，提出了一種8 字形線圈結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 兩種耦合線圈結(jié)構(gòu)Fig. 6 Two kinds of coupling coil structures

利用Maxwell 有限元仿真軟件對兩種線圈分別進行建模分析，對比兩種線圈的相關(guān)性能。兩種線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 兩種線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Structure parameters of the two kinds of coupling coils

2.1 耦合系數(shù)

基于表1 所示參數(shù)，經(jīng)Maxwell 仿真得到兩種線圈電感參數(shù)，具體如表2 所示?？梢钥闯觯瑘A形線圈的互感大于8 字形線圈的，而自感小于8 字形線圈的。因此在相同面積、相同線圈匝數(shù)的情況下，圓形線圈的耦合性能要優(yōu)于8 字形線圈的。

表2 兩種線圈電感仿真結(jié)果Tab. 2 Simulated indutance results of the two kinds of coils

2.2 漏磁

在相同線圈電流工況下，經(jīng)仿真得到的兩種耦合線圈磁感應(yīng)強度分布如圖7 所示?？梢钥闯?，圓形線圈的磁場分布比較分散，漏磁比較大；而8 字形線圈的磁場分布相對來說比較集中，大部分集中在中間部分，整個線圈的兩側(cè)幾乎不會向外散發(fā)漏磁，漏磁明顯小于圓形線圈的。

圖7 兩種線圈周圍的磁感應(yīng)強度Fig. 7 Magnetic induction intensity around the two kinds of coils

2.3 抗偏移能力

耦合線圈偏移包含水平和垂直兩個方向上的偏移。在水平方向上，由于圓形線圈的方向具有一致性，其水平偏移只需要考慮一次側(cè)、二次側(cè)線圈的圓心偏移。對于8 字形線圈來說，存在水平縱向偏移和水平橫向偏移（圖8）。

圖8 8 字形線圈水平偏移的兩種形式Fig. 8 Two forms of horizontal offset of figure 8-shaped coil

對圓形線圈的水平偏移以及8 字形的水平縱向偏移和水平橫向偏移分別進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9 所示。可以看出，8 字形線圈做橫向偏移時互感變化最快，當(dāng)偏移距離達到180 mm 時，互感降為0；圓形線圈水平偏移時，互感變化速度處于8 字形線圈兩種形式偏移之間，當(dāng)偏移距離達到360 mm 時，互感減小為0；8 字形線圈縱向偏移的互感變化程度最小，抗偏移能力最強。

圖9 兩種線圈的互感隨水平偏移變化曲線Fig. 9 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with horizontal offset

兩種耦合線圈在不同垂直距離下，互感量的變化如圖10 所示。由曲線數(shù)據(jù)可知，在5～15 cm 的垂直距離區(qū)間內(nèi)，8 字形耦合線圈的互感變化相對于圓形線圈來說更大。圓形線圈對垂直距離上的變化更不敏感。

圖10 兩種線圈的互感隨垂直距離變化曲線Fig. 10 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with vertical distance

綜上分析可得，圓形線圈的耦合系數(shù)要大于8 字形線圈的；但在抗偏移及漏磁方面，8 字形線圈明顯要優(yōu)于圓形線圈，更適合軌道交通的應(yīng)用場景。

3 實驗驗證

為驗證系統(tǒng)LCL-S 主電路拓撲的恒壓特性、SiC 逆變器軟開關(guān)技術(shù)設(shè)計方法的正確性以及8 字形線圈在對外磁輻射方面的優(yōu)越性，搭建了150 kW 無線電能傳輸原理樣機（圖11）。該樣機的高頻逆變器采用基于1 700 V/300 A SiC MOS 開關(guān)管的全橋結(jié)構(gòu)，高頻整流器采用SiC SBD（肖特基二極管）整流結(jié)構(gòu)，線圈采用1 對2 結(jié)構(gòu)（1 個發(fā)射線圈，2 個接收線圈）。具體電路拓撲如圖12 所示，各參數(shù)符號及其數(shù)值大小如表3所示，耦合機構(gòu)電感參數(shù)如表4 所示。

圖11 150 kW 原理樣機Fig. 11 150 kW principle prototype

圖12 耦合機構(gòu)一次側(cè)/二次側(cè)電路各元件參數(shù)Fig. 12 Parameters of each element in the primary/secondary side circuit of the coupling mechanism

表4 耦合機構(gòu)電感Tab. 4 Inductances of the coupling mechanism

3.1 軟開關(guān)實驗

為驗證本文所提軟開關(guān)設(shè)計方法的有效性，進行軟開關(guān)實驗。根據(jù)器件手冊可知，在Uin=400 V 的工況下，下降沿脈沖驅(qū)動延時Tdoff=640 ns，器件響應(yīng)延時Tdelay=323 ns，上升沿脈沖驅(qū)動延時Tdon=387 ns。為使系統(tǒng)呈弱感性，選擇一次側(cè)串聯(lián)電容器容值為150 nF，計算得到T1=178.5 s，Tc=561.7 s。選擇死區(qū)時間為1 μs，在該工況下得到逆變器開關(guān)管實驗波形如圖13 所示。

圖13 軟開關(guān)實驗波形Fig. 13 Experimental waveforms of soft switch

由圖13 可知，上管結(jié)電容放電完成之后，下管驅(qū)動脈沖到來，高頻逆變器實現(xiàn)零電壓開通。說明當(dāng)LR，LP和R都恒定時，可以通過調(diào)節(jié)CLT的容值來改變逆變器的關(guān)斷電流，從而使得逆變器實現(xiàn)零電壓開通。

3.2 系統(tǒng)恒壓輸出實驗

在直流電源電壓恒定的情況下，負載分別選擇5Ω, 10Ω, 15Ω 和20Ω，實驗數(shù)據(jù)如表5 所示?？梢钥闯?，輸出電壓在小范圍內(nèi)波動，故可認(rèn)為負載大小對輸出電壓沒有影響，即系統(tǒng)保持恒壓特性。

表5 恒壓特性實驗結(jié)果Tab. 5 Experimental results of the system with constant voltage characteristics

在150 kW 樣機耦合機構(gòu)氣隙為5 cm，電阻為5 Ω，開關(guān)頻率為50 kHz 輸入電壓的工況下，系統(tǒng)輸入功率達到150 kW，系統(tǒng)電壓及電流如表6 所示。

表6 150 kW 樣機功率實驗結(jié)果Tab. 6 Power test results of the 150 kW prototype

利用示波器記錄逆變器輸出電壓、輸出電流、一次側(cè)線圈電流以及二次側(cè)線圈電流波形如圖14 所示?？梢钥闯觯瑑山M二次側(cè)電流與逆變器輸出電流的相位完全一致，且兩組二次側(cè)電流大小幾乎相等，它們之和約等于逆變器輸出電流。

圖14 150 kW 樣機功率實驗波形Fig. 14 Power test waveforms of the 150 kW prototype

3.3 電磁輻射測量對比實驗

針對第2 節(jié)所提出的8 字形線圈比圓形線圈具有更優(yōu)越的對外磁輻射特性，搭建圓形線圈結(jié)構(gòu)無線電能傳輸樣機，在相同輸入電壓等級下，測量兩種線圈的對外磁輻射。圓形線圈繞制方式如圖15 所示，樣機電感參數(shù)如表7 所示。

圖15 兩種線圈繞制方式Fig. 15 Two methods of coil winding

表7 圓形線圈樣機電感參數(shù)Tab. 7 Inductances of circular coil prototype

150 kW 原理樣機和圓形線圈樣機對比實驗工況為：輸入電壓550～600 V，負載7.5 Ω，運行頻率50 kHz，輸入功率40～45 kW。在實驗過程中，用手持式電磁場測試儀檢測兩個樣機的電磁輻射情況，測量結(jié)果如表8 所示?？梢钥闯?，隨著測量距離的增加，電磁輻射逐漸減少；并且在不同高度、不同長度下，8 字形線圈的漏磁都要小于圓形線圈的。

表8 兩樣機電磁輻射測量結(jié)果Tab. 8 Electromagnetic radiation measurement results of the two prototypes

4 結(jié)語

本文針對軌道交通無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用時存在的傳輸功率大、系統(tǒng)損耗高、對外輻射強問題，提出了一種多線圈耦合LCL-S 電路拓撲以及8 字形線圈優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

（1）LCL-S 電路拓撲能夠提供穩(wěn)定的直流母線電壓，適合軌道交通應(yīng)用。在考慮性價比和控制復(fù)雜度的情況下，通過適當(dāng)增加接收線圈個數(shù)，能夠進一步提高系統(tǒng)效率；

（2）軟開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)，不僅能夠減小開關(guān)器件的損耗，還能避免線路的高頻振蕩；

（3）在軌道交通應(yīng)用中，8 字形線圈設(shè)計能夠減小鋼軌間的漏磁通分布，有效減少系統(tǒng)對外電磁輻射。

目前，國內(nèi)外對于無線電能傳輸技術(shù)的研究還處于不斷發(fā)展和完善的階段，尤其在動態(tài)供電方面，如何提高動態(tài)供電的系統(tǒng)效率、減小系統(tǒng)對外磁輻射、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性這些問題都亟待解決，高效抗偏移耦合機構(gòu)的設(shè)計、供電導(dǎo)軌模式及分段投切技術(shù)、系統(tǒng)多參數(shù)動態(tài)調(diào)諧等技術(shù)還需要更深入的研究，這也是我們下一步的研究方向。