基于LC網絡的感應電能傳輸系統動態供電方法

高世萍 麥瑞坤

感應電能傳輸（inductive power transfer, IPT）技術將電能以非接觸的方式從供電電源傳遞給用電負載，具有安全、可靠、供電靈活等優點，已經成為國內外近幾年研究的焦點[1-2]。而隨著全球化石油燃料的日益緊缺及自然環境的不斷惡化，電動汽車受到世界各國的大力推廣。但充電問題卻成為了限制電動汽車發展的最大問題[3]。

將感應電能傳輸技術應用于電動汽車中，已受到越來越多的國內外研究機構關注與研究[4]。目前傳統的靜態無線充電技術在運用到電動汽車上時，存在續航里程短、電池組笨重且成本高昂、充電頻繁等缺點[3]，因此，在該背景下，電動汽車動態無線供電技術被人們提出[5]，該技術保證了電動汽車在行駛過程中被實時的提供能量，降低了電動車電池組的搭載數量，提高了電動汽車續航里程，為電動汽車的市場化起到了推動作用。

為了實現電動汽車動態供電，可采用較長的IPT供電線圈方案[6-7]，然而這樣必將增加電能損耗、降低電能傳輸效率。并且，當采用較長的初級供電線圈時，次級電能拾取線圈將無法完全覆蓋初級供電線圈范圍，造成電磁泄漏[8]。因此，采用分段導軌供電方式是更為合理有效的方法。

目前，國內外對IPT分段供電技術展開了初步研究，并主要集中研究了供電線圈切換模式[9-10]、供電線圈切換方法等[11-12]。

本文主要研究單逆變器供電、多初級LCL線圈并聯的分段導軌動態供電問題[13]。但采用這種分段導軌供電存在的問題是，當電動汽車還在與第一個LCL初級線圈進行耦合時，其余所有并聯LCL初級線圈都處于通電狀態，存在較大的初級線圈電流，這樣帶來了系統功率損耗以及較大的電磁輻射。同時，如果直接在并聯的LCL線圈回路中串聯開關進行線圈的切除，將會帶來較大的開關硬力。因此，本文提出一種含有交流開關的 LC網絡，通過調節交流開關的通斷，進而降低初級線圈電流大小，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射的目的，并使得逆變器工作在軟開關狀態。

1 無線電能傳輸系統LCL-S拓撲分析

IPT系統采用LCL-S補償結構，該結構具有初級線圈輸出電流恒定、傳輸功率大等優點[14]，如圖1所示。圖中主要包括直流供電電源E、DC-DC變換器、高頻逆變器（由 S1－ S4組成）、自感L1、初級諧振補償電容 CP、初級線圈自感 LP、互感M、次級線圈自感 LS、接收端諧振補償電容 CS、高頻整流器（由 D1－ D4組成）、平波電容C1及功率負載RL。

圖1 LCL-S型補償拓撲的IPT系統

在IPT系統中，初始配置參數時使得初級電路和次級電路均處于諧振狀態，滿足下列關系：

ZS表示次級電路總阻抗，可表示為

式中，rS為次級線圈內阻；8RL/π2為整流性負載的阻抗表達式[14]。

ZR表示次級電路總阻抗 ZS在初級電路中的映射阻抗，即ZP表示初級電路在初級線圈處等效阻抗，即

式中，rP表示初級線圈內阻。

ZCP表示初級電路在補償電容處等效阻抗，即

從式（9）可以看出，LCL-S的電路拓撲具有初級線圈電流輸出恒定的優點，與負載空載與否無關。

2 基于LC網絡的初級線圈電流調節原理

為滿足電動汽車動態充電需求，在IPT系統中，采用單逆變器供電、多初級LCL線圈并聯的分段導軌供電的電路拓撲，如圖2所示。其中，各LCL拓撲均滿足式（2）的等式關系。

圖2 多初級LCL線圈并聯的IPT系統

但采用圖2中拓撲存在的問題是，當電動汽車還在與第一個LCL初級線圈進行耦合時，其余所有并聯LCL初級線圈都處于通電狀態，存在較大的初級線圈電流，會帶來系統功率損耗以及較大的電磁輻射。

針對該問題，提出一種采用如圖 3所示的 LC網絡結構，由電感 La、電容 Ca、開關 Sc與 Sd，其中開關 Sc與 Sd組成等效交流開關組 Sa。通過控制LC網絡中交流開關組 Sa的通斷，進而對初級線圈電流 LP的大小進行調節。在圖 3中，La與 L1的互感大小為Ma。

圖3 初級線圈電流調節的LC網絡結構圖

當Sa閉合時，LC網絡等效阻抗Za可表示為

LC網絡在初級電路的反射阻抗Zra可表示為

在LC網絡中，交流開關組Sa的通斷分別對應兩種不同的情況：當電動汽車在遠處時，交流開關組Sa閉合，降低初級線圈電流IP；當電動汽車進入第一個初級線圈時，交流開關組 Sa斷開，此時 LC網絡在初級電路中等效的反射阻抗接近于 0，能量從初級線圈正常傳遞到次級線圈，給電動汽車動態充電。當電動汽車遠離第一個初級線圈、即將進入第二個初級線圈時，第二個初級線圈的交流開關組Sa2從閉合狀態動作為斷開狀態，同時，第一個初級線圈的交流開關組Sa從斷開狀態動作到閉合狀態。后續并聯初級線圈中的開關依次重復動作，保障電動汽車的動態充電，同時，降低其余并聯初級線圈在不與次級線圈耦合時的初級線圈電流，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射的目的。

由式（7）及式（11）可得，當交流開關組 Sa閉合時，此時的初級電路總等效阻抗為

逆變器輸出電流1I˙可表示為

初級電路中初級線圈電流 I˙P可表示為

由式（14）可知，當系統確定并配置好相應諧振參數時，等式右側的變量就只存在Za，當Za減小時，初級線圈電流IP將減小。

此時，LC網絡中感應電壓aU˙可表示為

在交流開關組Sa閉合時，開關管承受的電流硬力應滿足下述等式

當交流開關組Sa斷開時，即表示電動汽車進入當前初級線圈中。同時，交流開關組Sa斷開，即在LC網絡等效產生一個無窮大的阻抗，由式（10）、式（11）可知，LC網絡在初級電路中等效反射阻抗Zra接近于0。

由式（8）可知，當前逆變器輸出電流的表達式為

此時，LC網絡中感應電壓 U˙a可表示為

在交流開關組Sa斷開時，開關管承受的電壓應力應滿足下述等式，即

因此，在對開關管選型時，應根據電路參數，充分考慮到開關管的耐壓值與耐流值，以保證系統安全與穩定。

3 實驗驗證

為了驗證上述通過調節 LC網絡中交流開關通斷進而改變初級線圈電流大小的可行性，依照圖 1與圖3搭建了一套LCL-S型的IPT實驗系統，如圖4所示。IPT系統中高頻逆變器的控制芯片為TMS320F28335，交流開關器件為APT56F50L。

IPT系統電路參數見表1，其中初級線圈與次級線圈氣隙間距為65mm，將 IPT系統配置為靜態諧振狀態。

表1 IPT系統電路參數

同時，為了驗證控制交流開關通斷改變初級線圈電流大小的效果，只在原邊繞制一個LCL拓撲的初級線圈。通過實際將次級線圈從遠處慢慢駛入并遠離初級線圈，模擬電動汽車從遠處駛入、充電、遠離的過程。并通過次級線圈的不同位置進而控制交流開關的通斷，實驗波形如圖5所示。

在圖5中，IP為初級線圈電流，UP為初級電路逆變器輸出電壓。可以看出，在交流開關動作過程中，逆變器輸出電壓UP保持恒定。同時，初級線圈電流變化情況對應交流開關通斷情況為：在t0時刻，表示電動汽車還未進入分段導軌，即次級線圈還處于遠離初級線圈的階段，此時，通過控制器控制交流開關組Sa閉合，進而降低初級線圈電流IP，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射、保護人體安全的目的；在 t1時刻，表示電動汽車開始進入分段導軌中，即次級線圈開始與初級線圈進行耦合，當前對電動汽車進行充電，通過控制器控制交流開關組Sa斷開，讓初級線圈電流恢復正常，能量從初級線圈正常傳遞到次級線圈，給電動汽車動態充電；在t2時刻，表示電動汽車開始遠離分段導軌，即次級線圈即將遠離初級線圈，停止對電動汽車進行充電，通過控制器控制交流開關組Sa閉合，進而降低初級線圈電流 IP，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射的目的。

圖5 實驗波形

4 結論

本文主要研究單逆變器供電、多初級LCL線圈并聯的分段導軌供電問題，提出一種含有交流開關的 LC網絡，通過調節交流開關的通斷，進而降低初級線圈電流大小，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射的目的。首先分析了LCL-S的諧振補償拓撲，得出該拓撲具有初級線圈輸出電流恒定的優點，然后介紹了含有交流開關的 LC網絡的初級線圈電流調節原理，進行了詳細的公式推導論證。最后，搭建LCL-S的IPT實驗系統，模擬電動汽車充電過程，實驗證明在交流開關閉合時，能有效降低初級線圈電流，達到降低系統功率損耗、減少電磁輻射的目的。本文目前通過將次級線圈從遠處慢慢駛入并遠離初級線圈，模擬電動汽車從遠處駛入、充電、遠離的過程，只搭建了一個初級線圈驗證所提方法的有效性，后續將搭建多個LCL初級線圈并聯，進而模擬完整的分段導軌對電動汽車的充電過程。

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