無線電能傳輸系統補償拓撲綜述

,,

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建　福州　350116)

1　引言

無線電能傳輸技術(Wireless Power Transmission，WPT)在消費電子、人體植入醫療設備、智能家居、電動汽車充電等領域應用日益廣泛，極大的方便了人們的生活，從幾瓦到上千瓦功率范圍的應用都得到了深入的研究。按能量傳輸方式來分，主流的無線電能傳輸系統分為感應耦合式(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)[1]、磁耦合諧振式(Electro-magnetic Resonant Power Transmission，ERPT)[2-3]。感應耦合式無線電能傳輸技術工作頻率較低，其結構上類似于普通變壓器，通過高導磁材料作為磁通路徑，因此又稱為可分離變壓器(Detachable Transformer)、松耦合變壓器(Loosely Coupled Transformer,LCT)，感應耦合式無線輸電系統具有傳輸效率高，漏磁通小的優點，但傳輸距離較近，且對位置偏移較為敏感。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術利用磁諧振近場耦合，系統工作在MHz頻率下，傳輸距離從厘米級到米級，且線圈位置魯棒性相對較好，但隨著頻率上升，線圈設計更為復雜且控制難度較大，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術具有巨大的應用潛力及研究價值[4-8]。

兩線圈無線電能傳輸系統結構框圖如圖1所示，系統主要由功率因素校正電路、高頻逆變器，原邊補償拓撲，磁耦合結構、副邊補償拓撲、高頻整流和功率電壓調節構成。作為系統的重要組成部分，補償拓撲對于提高系統功率因數，改善輸入輸出特性和提高系統效率都有重要影響。

圖1　無線電能傳輸系統結構框圖

2　WPT系統補償網絡

對于兩線圈無線電能傳輸系統，根據發射側和接受側的補償電容位置不同，其補償拓撲主要分為原邊串聯副邊串聯(Series- Series，SS)、原邊串聯副邊并聯(Series-Parallel，SP)、原邊并聯副邊并聯(Parallel-Parallel，PP)、原邊并聯副邊串聯(Parallel-Series，PS)四種基本模型，如圖2所示。其中Lp為發射線圈自感，Ls為接受線圈自感，M為原副邊互感，Cp為原邊補償電容，Cs為副邊補償電容。

圖2　WPT系統的基本補償拓撲

對于電壓源型逆變器，為了達到更好的諧振效果，一般采用原邊串聯補償的方式，對于電流源型逆變器，一般采用原邊并聯補償的方式[9]。四種基本補償拓撲電容值的選取如表1所示。

四種補償拓撲各有優缺點，在此基礎上，相關文獻提出了SP/S、SP/P、S/SP、雙LCL補償、LCC等新型補償拓撲[10-14]，以提高了功率傳輸能力和傳輸效率，減小系統對線圈位置的敏感性。

表1　補償拓撲電容值的選取

3　補償網絡模型分析

3.1　SS補償拓撲

對于SS型補償拓撲，耦合電感解耦等效電路模型如圖3所示，為了方便理論分析，假設電路中元件均為理想電感，理想電容和理想電壓源，Re為整流橋輸入等效電阻。

圖3　SS型補償拓撲等效模型

由諾頓定理，將電阻Re兩端可以等效為電流源Isc和導納Yeq的并聯電路。其中

Isc=

(1)

Yeq=

(2)

電源兩端輸入阻抗Zin為:

(3)

當Cp與Lp諧振，Cs與Ls諧振，即w2CpLp=1，w2CsLs=1，此時有

(4)

Yeq=0

(5)

電阻Re兩端可以等效為并聯電流源Isc，系統具有恒流輸出特性。

取Lp=150uH，Ls=130uH，Cp=16.89nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Vin=48V，f=100kHz時在不同Re下電壓增益和輸入相角隨頻率變化曲線如圖4～5所示，可以看出，隨頻率的變化不同負載下曲線會出現兩個增益交點，在交點上電阻Re兩端等效為電壓源。并且隨著電阻負載的減小，輸入側將會出現三個諧振點，諧振點處輸入阻抗呈純阻性。

3.2　SP補償拓撲

SP型補償拓撲解耦等效電路模型如圖6所示，由戴維寧定理，電阻Re兩端可以等效為電壓源Voc和阻抗Zeq的串聯電路。

圖4　輸出電壓增益

Voc=

(6)

(7)

圖5　輸入相角

圖6　SP型補償拓撲等效模型

電源兩端輸入阻抗Zin為:

(8)

(9)

Zeq=0

(10)

電阻Re兩端等效為并聯電壓源Voc，系統具有恒壓輸出特性。取Lp=150uH，Ls=130uH，Cp=17.7nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Vin=48V，f=100kHz時在不同Re下電壓增益和輸入相角隨頻率變化曲線如圖7、8所示，可以看出，隨著負載的增大，電壓增益由單峰變為雙峰。輸入相角由單諧振點變為三個諧振點，諧振點處輸入阻抗呈純阻性。

圖7　輸出電壓增益

3.3　PP補償拓撲

輸入端為電流源型逆變器時原邊采用并聯補償，PP型補償拓撲等效模型如圖9所示。由戴維寧等效電路置換Re端口，其中

圖8　輸入相角

(11)

(12)

圖9　PP型補償拓撲等效模型

電源兩端輸入阻抗Zin為:

(13)

(14)

Zeq=0

(15)

電阻Re兩端等效為并聯電壓源Voc，系統具有恒壓輸出特性。取Lp=150uH，Ls=130 uH，Cp=17.7nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Iin=10A，f=100kHz時在不同Re下電流增益和輸入相角隨頻率變化曲線如圖10、11所示。可以看出，隨著負載的增大，電流增益由單峰變為雙峰。輸入相角由單諧振點變為三個諧振點，諧振點處輸入阻抗呈容性。

圖10　電流增益

3.4　PS補償拓撲

PP型補償拓撲等效模型如圖12所示。由諾頓等

效電路置換Re端口為電流源Isc并聯導納Yeq電路。

圖11　輸入相角

圖12　PS型補償拓撲等效模型

其中

(16)

(17)

輸入阻抗Zin為：

(18)

當Cp與Lp諧振，Cs與Ls諧振時，即w2CpLp=1，w2CsLs=1，此時有

(19)

Yeq=0

(20)

等效電阻Re兩端等效為并聯電流源，系統具有恒流輸出特性。取Lp=150uH，Ls=130 uH，Cp=16.89nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Iin=10A，f=100kHz時在不同Re下電流增益和輸入相角隨頻率變化曲線如圖13、14所示。可以看出，隨著負載的增大，電流增益由雙峰變為單峰，諧振點處輸入阻抗呈容性。

4　系統性能分析

通過以上分析，可以看出系統在四種基本補償拓撲下，在工作頻率下只有SS和SP補償拓撲的輸入阻抗呈阻性，無功小，可最大程度減小電源的伏安容量并保證輸出的穩定可控。SP和PP可以實現恒壓輸出，但原邊補償電容Cp的取值與互感系數有關，適合線圈位置相對固定的場合。SS和PS補償拓撲可實現輸出電流不受負載影響，適合給蓄電池充電的場合。

5　結論

補償拓撲作為無線電能傳輸系統的關鍵部分，對系統傳輸性能、傳輸效率以及系統抗干擾能力具有重要影響。本文利用統一的解耦模型，分析計算了四種基本補償拓撲的輸入輸出特性，不同負載下增益曲線的變化和相角的變化，以及不同補償拓撲的系統性能及應用場合，對深入研究無線電能傳輸機理和系統電路設計具有重要的理論意義和實用價值。

圖14　輸入相角

[1]Sallan J,Villa J L,Llombart A,et al.Optimal Design of ICPT Systems Applied to Electric Vehicle Battery Charge[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(6):2140-2149.

[2]Kurs A,Karalis A,Moffatt R,et al.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J].Science,2007,317(5834):83-86.

[4]謝文燕,陳琪瑯,陳為.無線電能傳輸磁耦合系統綜述[J].通信電源技術,2013,30(1):9-12.

[5]田子建,林越,楊洪文,等.具有中繼諧振線圈的磁耦合諧振無線電能傳輸系統[J].電工技術學報,2015(S1).

[6]李素環,廖承林,王麗芳,等.無線電能傳輸中線圈設計對效率的影響綜述[J].電工技術學報,2015(S1).

[7]Vorenkamp P,Van Der L R,Van Loo I,et al.WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM:US,US20100201310[P].2010.

[8]姜田貴,張峰,王慧貞.松耦合感應能量傳輸系統中補償網絡的分析[J].電力電子技術,2007,41(8):42-44.

[9]張峰,王慧貞,姜田貴.電壓型松耦合全橋諧振變換器原理分析與實現[J].電力電子技術,2007,41(4):28-30.

[10]侯佳,陳乾宏,嚴開沁,等.新型S/SP補償的非接觸諧振變換器分析與控制[J].中國電機工程學報,2013(33):2-8.

[11]Villa J L,Sallan J,Sanz Osorio J F,et al.High-Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(2):945-951.

[12]黃曉生,陳為.用于磁感應耦合式電能傳輸系統的新型補償網絡[J].中國電機工程學報,2014(18):3020-3026.

[13]董紀清,楊上蘋,黃天祥,等.用于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的新型恒流補償網絡[J].中國電機工程學報,2015,35(7):4468-4476.

[14]Esteban B,Sid-Ahmed M,Kar N C.A Comparative Study of Power Supply Architectures in Wireless EV Charging Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015(99):6408-6422.