平板磁芯磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)

郭 堯，朱春波，宋 凱，魏 國，逯仁貴，徐石明

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，150001哈爾濱;2.南瑞集團國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，211000南京)

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)由美國麻省理工學(xué)院Marin Soljacic教授于2006年首次提出［1-2］，其采用磁場的近場耦合諧振原理，相對于傳統(tǒng)的感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)，具有傳輸距離遠，傳輸效率高的優(yōu)點，成為近年來的研究熱點［3-4］.能量耦合機構(gòu)是無線電能傳輸系統(tǒng)的核心部件［5］，從其結(jié)構(gòu)上可分為無磁芯結(jié)構(gòu)和含磁芯結(jié)構(gòu)(見圖1).無磁芯結(jié)構(gòu)由于其電感量小，便于小型化，因此往往應(yīng)用于高頻小功率場合［6］.在大功率無線電能傳輸系統(tǒng)中，為了降低損耗，提高傳輸效率，往往使系統(tǒng)工作在幾十到幾百kHz的中低頻范圍，需要在耦合機構(gòu)加入磁芯，提高自感量和耦合系數(shù)［7］.

在電動汽車無線充電中，鋪設(shè)于地面的發(fā)射端與車輛底盤的接收端距離為十幾厘米，且往往處于非對正位置，在該條件下保證原副邊足夠的耦合系數(shù)，實現(xiàn)高效大功率能量傳輸，是電動汽車無線充電研究的重點問題［8］.平板磁芯(Planar Core)由于具有薄型化、傳輸功率密度高等特點，近年來開始被一些機構(gòu)用于電動車無線充電研究中.日本埼玉大學(xué)采用雙邊線圈繞組平板磁芯結(jié)構(gòu)，減少了線圈繞組長度，降低系統(tǒng)銅耗，實現(xiàn)了功率1.5 kW、距離70 mm的無線電能傳輸［9-10］.美國橡樹嶺國家實驗室采用直徑330 mm的圓盤型磁芯結(jié)構(gòu)，制作了功率2 kW、距離100 mm的無線電能傳輸樣機［11-13］.韓國科學(xué)技術(shù)院采用440 mm×440 mm的平板磁芯結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了距離200 mm、功率100 W的無線電能傳輸［14］.本文在理論分析無線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，搭建了功率1.85 kW、距離100 mm的無線電能傳輸實驗平臺，對采用平板磁的系統(tǒng)各項性能進行了理論計算和實驗探究.

圖1 兩種傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 系統(tǒng)理論分析

圖2為采用串并結(jié)構(gòu)的雙線圈諧振系統(tǒng)電路模型，其中，uS為正弦電壓源，其電壓幅值為U0，CS和CR分別為原邊和副邊諧振電容，LS和LR分別為原邊和副邊線圈的自感值，rS和rR分別為原邊和副邊線圈內(nèi)阻，RL為等效負載，原副邊線圈之間的耦合系數(shù)為k.

圖2 串并結(jié)構(gòu)的雙線圈諧振系統(tǒng)電路模型

依據(jù)原副邊電路結(jié)構(gòu)，列寫如下微分方程:

兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

由式(1)、(2)，分別列寫回路方程:

其中:βS=rS/(2LS)為發(fā)射線圈阻尼系數(shù)，βR= rR/(2LR)+1/(2RLCR)為接收線圈阻尼系數(shù)，為發(fā)射端與接收端之間的耦合互感，ω0S、ω0R分別為發(fā)射端與接收端之間自諧振頻率.

負載電壓即為副邊電容電壓uCR，依據(jù)微分方程組(3)，設(shè)其解形式為

解上述方程組可得

其中:

由式(4)可以得到負載電壓與頻率、耦合系數(shù)的關(guān)系曲線.同樣，設(shè)原邊電容電壓為

根據(jù)回路結(jié)構(gòu)的微分方程組(3)，可解得

則輸出電流iS為

其中IS為輸入電流幅值，φS為相對于輸入電壓的相差.則電壓源的輸出功率為同時接收端的負載接收功率為

則能量的傳輸效率為

根據(jù)式(4)～(6)可計算出系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率.當(dāng)電源的工作頻率使X與Y的平方和最小時，系統(tǒng)將會發(fā)生磁耦合諧振，負載端接收到的能量最大.

2 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，能量供給電路為大功率直流源，經(jīng)高頻全橋逆變后激發(fā)由原邊諧振電容組和發(fā)射線圈構(gòu)成的諧振腔，產(chǎn)生高頻交變磁場.能量接收線圈與副邊諧振電容組構(gòu)成諧振回路，感應(yīng)發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場并發(fā)生諧振.接收能量轉(zhuǎn)換電路包括了高頻整流、DC/DC變換，將接收的交流轉(zhuǎn)換為直流給負載供電.

2.1 平板磁芯結(jié)構(gòu)

磁芯作為無線電能的載體，在進行大功率遠距離傳輸時對于功率效率等性能的提升起到了重要作用.無線電能傳輸領(lǐng)域(包括磁感應(yīng)式與磁耦合諧振式)通常采用“E型”或者“罐型”等磁芯，這類磁芯作為能量耦合機構(gòu)，傳輸距離較短(1 cm左右)，且抗偏移能力差.本文采用的為薄板狀平板磁芯，體積小、質(zhì)量輕、便于固定，且具有等效面積大等優(yōu)點.磁芯材料參數(shù)如表1所示.

圖3 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表1 平板磁芯參數(shù)

2.2 傳輸線圈

根據(jù)式(4)的分析，傳輸線圈的內(nèi)阻直接影響負載上的接收電壓.由集膚效應(yīng)可知，隨著頻率的升高，電流在導(dǎo)體內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布，越靠近導(dǎo)體表面的電流越大，導(dǎo)線等效內(nèi)阻變大，所以降低導(dǎo)線的阻抗變得尤為重要.集膚深度隨著頻率的升高而減小，圖4(a)為線徑1 mm的單銅線集膚深度/交流阻抗比隨頻率變化情況.本系統(tǒng)采用Litz線代替單股銅線，為單股直徑0.1 mm的超細漆包絞制而成，如圖4(b)所示，可以有效降低導(dǎo)線高頻損耗并控制傳輸線圈的熱損耗.

圖4 傳輸線特性

在線圈的繞制方式上，本系統(tǒng)采用單面螺旋繞制方式，相對于雙面包裹式繞制，磁力線走向與磁芯平面垂直，更有利于實現(xiàn)磁場均勻化和提高傳輸距離.

2.3 功率驅(qū)動源設(shè)計

傳統(tǒng)無磁芯結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)由于功率級別較低，較多采用為E類放大或半橋結(jié)構(gòu).本文采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作頻率140 kHz.圖5為全橋逆變結(jié)構(gòu)圖.由于MOSFET開關(guān)頻率較高，開通關(guān)斷過程中易引起較高振蕩，從而損壞器件.圖5中加入了RCD吸收回路，用以吸收MOS管體電容關(guān)斷過程產(chǎn)生的振蕩;加入柵極保護電路，為柵極和漏極間電容提供泄放回路，進一步降低開關(guān)損耗.

圖5 全橋逆變電路圖

3 實驗驗證與分析

3.1 平板磁芯對耦合系數(shù)的影響

在5～150 mm這一電動汽車無線充電距離范圍內(nèi)，對原副邊均為20 cm×20 cm的方形螺旋線圈加入平板磁芯前后的耦合系數(shù)進行測量，結(jié)果如圖6所示.可以看出，加入平板磁芯對提高原副邊耦合系數(shù)有較為顯著的作用.

圖6 耦合系數(shù)隨距離變化曲線

3.2 頻率對傳輸?shù)挠绊?/h3>

系統(tǒng)工作時，能量發(fā)射線圈與接收線圈通過空間交變磁場傳輸能量，二者工作頻率與逆變電路輸出頻率一致.確定線圈以及串并聯(lián)諧振電容，改變逆變輸出頻率，即可分析傳輸系統(tǒng)在不同頻率下的傳輸性能.圖7為不同頻率下負載上的功率以及發(fā)射端電壓電流的相位差.當(dāng)施加在線圈上的頻率偏離諧振線圈與諧振電容組成的諧振系統(tǒng)的固有頻率時，諧振系統(tǒng)呈現(xiàn)出感性或容性，傳輸功率中的無功分量增加，負載上接收到的功率減小.

圖7 不同頻率下負載上的功率及發(fā)射端電壓電流的相位差

實驗過程中發(fā)射端輸入電壓波形為方波，由于諧振電路的選頻作用，以下只考慮傅里葉展開后基波分量的能量及傳輸效率.因為諧振電路對高次諧波分量的阻抗較大，這部分能量并沒有高效傳輸.如果以全部方波能量作為線圈激勵進行計算，由帕斯瓦爾定理知各次諧波的能量與諧波系數(shù)的平方成正比，頻率為ω0的基波所占能量比重最大，為81%［15］，那么實際傳輸效率可能會低于90%.實驗參數(shù)如表2所示.

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算得到的系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率等參數(shù)與實際實驗測得結(jié)果比較如表3所示.

可以看出，串聯(lián)-并聯(lián)結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振系統(tǒng)傳輸模型計算結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致，但仍有部分差異，其原因在于:1)計算時未考慮逆變源內(nèi)阻，而實際中，半導(dǎo)體功率器件不可避免的存在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，因此實際的能量傳輸效率低于計算值.需要注意的是，在波長遠大于線圈尺寸的情況下，環(huán)形線圈的輻射效率很低，可以忽略不計.2)計算時認為諧振電容是理想電容，而實際中電容有諸多寄生參數(shù)，如等效并聯(lián)電阻(EPR)、等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)等，并且電路工作時，諧振電容組溫度上升，引起容值漂移［16］，這些原因均會導(dǎo)致實測共振頻率偏離理論計算值.3)參數(shù)測量環(huán)節(jié)存在誤差，尤其是線圈內(nèi)阻等微小量的測量誤差較大.針對以上問題，可通過采用高耐壓無感諧振電容器，以及高頻逆變電路軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)進一步改進.

表2 實驗系統(tǒng)參數(shù)

表3 實驗結(jié)果與計算結(jié)果對照

3.3 水平移位傳輸實驗

分別對單方向移位和對角線移位兩種情況進行實驗，如圖8(a)所示，實驗各參數(shù)與上一節(jié)參數(shù)一致.單方向移位25%(20 cm×20 cm磁芯移位5 cm)，對角線方向移位15%(20 cm×20 cm磁芯移位3 cm)時系統(tǒng)整體傳輸效率變化很小.繼續(xù)增大移位時，磁芯效率變化較小(最低仍為70%以上)，而整體效率下降較大，其原因是由于此時副邊對原邊反映阻抗特性的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)原邊高頻逆變的無功分量增大，在其開關(guān)器件上存在較大的功率損耗.

圖8 系統(tǒng)側(cè)移性能研究

3.4 功率傳輸

圖9為100 mm距離下系統(tǒng)傳輸功率與效率曲線，負載為白熾燈，直流輸入145 V時負載接收功率1.85 kW，從直流源輸入到負載的系統(tǒng)整體傳輸效率為75%～82%.

圖9 100 mm距離下負載功率整體傳輸效率

4 結(jié) 論

1)在同樣的傳輸距離下，加入平板磁芯有效提高了能量發(fā)射端與接收端的耦合系數(shù)，提高了系統(tǒng)的傳輸性能.

2)以較小尺寸的發(fā)射/接收端結(jié)構(gòu)(20 cm× 20 cm×1 cm)實現(xiàn)了功率1.85 kW，效率80%的能量傳輸，解決了小尺寸大功率無線能量傳輸難題.

3)采用平板磁芯的耦合機構(gòu)磁場分布均勻，增強了系統(tǒng)的水平移位能力，為后續(xù)將該技術(shù)應(yīng)用于電動汽車無線充電奠定了基礎(chǔ).

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