LCC-P 型諧振式無線傳能電路設(shè)計(jì)

孟周江，林輝品

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市富陽區(qū)供電公司，浙江 杭州 311400；2.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引 言

自2007 年麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科學(xué)家利用耦合諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中等距離的無線電力傳輸，無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術(shù)再度成為科技發(fā)展中的熱門話題。雖然現(xiàn)在有線電能傳輸依然占據(jù)主體，但是已經(jīng)有大量行業(yè)已經(jīng)涉及并應(yīng)用了WPT 技術(shù)，其中包括小功率無線充電產(chǎn)品、微小功率產(chǎn)品、工業(yè)領(lǐng)域、水下領(lǐng)域以及家用電器等領(lǐng)域。但無線傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換效率依然是限制其廣泛應(yīng)用的原因之一，還包括傳輸距離和收發(fā)方向等環(huán)境因素、成本因素帶來的影響，這些都是WPT 未來發(fā)展所需要克服的問題[1]。

1 MCR-WPT 技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

本次研究的磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）是在電磁感應(yīng)式的基礎(chǔ)上衍生出來的一種傳輸方式，電路諧振增強(qiáng)了2 個(gè)傳輸線圈之間的耦合性，從而延長了傳輸距離，提高了傳輸功率。目前，電磁感應(yīng)式無線充電使用比較成熟，而MCRWPT 還處于初步發(fā)展階段，因此對(duì)于MCR-WPT 的研究很有必要。

日本東京大學(xué)HORI Y 教授的團(tuán)隊(duì)分析了動(dòng)態(tài)無線充電方式，利用動(dòng)態(tài)充電進(jìn)一步降低電池容量[2]。較長的發(fā)射器線圈可在一定距離內(nèi)提供穩(wěn)定的功率流，但發(fā)射端和接收端之間的耦合容易產(chǎn)生磁漏并降低效率，因此該團(tuán)隊(duì)提出了多發(fā)射器的方法，使每個(gè)發(fā)射端都共享逆變器并使用縱向轉(zhuǎn)換損耗（Longitudinal Conversion Loss，LCL）結(jié)輸出，使得接收端在沿多個(gè)發(fā)射端移動(dòng)過程中可以接收恒定功率，驗(yàn)證了初步假設(shè)中所提出方法的準(zhǔn)確性。美國圣地亞哥州立大學(xué)MIC 教授的團(tuán)隊(duì)分別對(duì)SS（串聯(lián)-串聯(lián)）補(bǔ)償和LCC-S（電感-電容-電容）補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)比負(fù)載電阻變化對(duì)失諧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果表明雙LCC-S 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在小功率傳輸中的性能更加優(yōu)良[3]。

2 MCR-WPT 技術(shù)原理分析

LCC-P 系統(tǒng)的等效拓?fù)淙鐖D1 所示。為了使系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率最大，需要盡可能保證收發(fā)電路的諧振頻率相同[4,5]。

圖1 LCC-P 系統(tǒng)等效拓?fù)?/p>

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可以得到回路方程，即

式中：up為交流輸入電源；M為線圈電感之間的耦合系數(shù)；if為正向平均電流；is為等效電源的電流；ω為系統(tǒng)固有的諧振角頻率。

參數(shù)方程為

式中：rp、rs分別為Cp、Cs的寄生電阻；Lf、Lp分別為發(fā)射端線圈電感和接收端線圈電感；Cf、Cp分別為發(fā)射端諧振補(bǔ)償電容、接收端諧振補(bǔ)償電容；//代表阻抗并聯(lián)運(yùn)算。

由式（1）、式（2）可以得到收發(fā)線圈等效回路電流，即

則傳輸效率的計(jì)算公式為

根據(jù)耦合模理論可以得到反射阻抗公式為

式中：Ls為接收端線圈電感。

則得出輸入端的阻抗為

當(dāng)電路系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率最大，可以得出輸入總阻抗，即

故可以得出諧振，其公式為

因Cp＞0，同時(shí)可以得到約束條件，即

目前，MCR-WPT 主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車的無線充電部分。根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局等部門發(fā)布的《電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)》（GB/T 38775—2020）標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車應(yīng)用的MCR-WPT 頻率范圍為79 ～90 kHz，這也是本次設(shè)計(jì)目標(biāo)的諧振頻率范圍[6]。

本次設(shè)計(jì)采用的MCR-WPT 技術(shù)雖然克服了傳統(tǒng)電磁感應(yīng)松耦合的缺點(diǎn)，但是增加了能量的傳輸距離，并且能量的傳輸效率也受到了一定的影響。經(jīng)過一系列分析，本次實(shí)驗(yàn)擬定輸入電壓為10 V，輸入電流為1 A，輸出電壓為4 V，輸出電流為1 A，輸出功率為4 W，轉(zhuǎn)換效率為40%

系統(tǒng)由提供直流輸入的電源、能量發(fā)射端系統(tǒng)、能量接收端系統(tǒng)以及控制端系統(tǒng)構(gòu)成。電源采用輸出為12 V/1 A 的開關(guān)電源適配器，提供穩(wěn)定的輸入功率。電源部分也可使用學(xué)生電源，使輸入的電壓可控。系統(tǒng)頻率為80 kHz，且驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 設(shè)有高低信號(hào)的輸入，因此需要控制板STM32F103RCT6 為驅(qū)動(dòng)模塊提供帶有死區(qū)設(shè)置的互補(bǔ)信號(hào)。時(shí)鐘頻率選擇72 MHz 外部晶振，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出頻率為80 kHz，設(shè)置占空比為50%，死區(qū)時(shí)間約為150 ns。輸入采用接線端子便于調(diào)試時(shí)進(jìn)行調(diào)整，輸入時(shí)添加的100 μF電容可以使輸入的電壓更加穩(wěn)定[7]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了測試電路的傳輸效果，先將電路板與線圈相連并固定。通過改變2 個(gè)線圈的垂直距離，發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加，線圈之間依然有能量的傳輸，但是輸出電壓逐漸減小。當(dāng)距離達(dá)到一定值時(shí)，便接收不到能量。為了能夠更加直觀地觀察MCR-WPT 系統(tǒng)的傳輸效果，利用示波器對(duì)各部分信號(hào)進(jìn)行測量。設(shè)置單片機(jī)發(fā)出一對(duì)互補(bǔ)的頻率為80 kHz 的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后，輸出電壓得到放大。

由于存在自舉電路，IR2110 芯片的輸出電壓值相對(duì)較低，該芯片的控制信號(hào)輸出至全橋逆變電路的功率開關(guān)管，最終到諧振補(bǔ)償電路。輸出信號(hào)經(jīng)過諧振補(bǔ)償電路后，因?yàn)殡娐返钠ヅ浯嬖谝欢ǖ恼`差，所以波形有一定的失真，可以繼續(xù)調(diào)整諧振電容使波形達(dá)到相對(duì)的理想狀態(tài)。發(fā)射端波形和輸出端波形對(duì)比如圖2 所示。

圖2 發(fā)射端波形和輸出端波形對(duì)比

4 結(jié) 論

文章對(duì)LCC 型磁耦合諧振式無線電能傳輸電路進(jìn)行了建模和分析，并從耦合模型理論出發(fā)，分析了LCC-P 型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其可以降低開關(guān)損耗，并提高了系統(tǒng)的傳輸效率。系統(tǒng)介紹了各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及芯片、元器件的選型，通過與同類電路的比較，選擇了與本次設(shè)計(jì)較為契合的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)電路耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，制作了手繞線圈電感作為能量傳輸?shù)拿浇椤＝Y(jié)合各種理論設(shè)計(jì)原理圖，并最終構(gòu)建了實(shí)物模型，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。