基于LCL-S型諧振的大功率無(wú)線電能 傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

林云志，趙爭(zhēng)鳴

（清華大學(xué) 電機(jī)系，北京 100084）

無(wú)線電能傳輸技術(shù)通過向空間激發(fā)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行非接觸式電能傳送。該技術(shù)不需要借助輸電線導(dǎo)電，具有良好的機(jī)械隔離與電氣隔離特性，極大地增強(qiáng)了輸電的靈活性、便利性及環(huán)境兼容性[1-3]，目前在電動(dòng)汽車與軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但現(xiàn)有無(wú)線電能傳輸技術(shù)難以滿足受電車輛大功率負(fù)載的問題，且由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)松耦合的特性，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的損耗，使得整體效率和輸出功率變低[4-5]。

近年來(lái)，實(shí)現(xiàn)了較大功率無(wú)線電能傳輸?shù)闹饕獙?shí)驗(yàn)平臺(tái)有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6-7]研制了輸出功率恒定為500 W 的系統(tǒng)樣機(jī)，樣機(jī)使用的磁耦合結(jié)構(gòu)的外尺寸為 306 mm×300 mm×16 mm，當(dāng)傳輸距離為 176 mm時(shí)，能量傳輸效率高達(dá) 88%；上海交通大學(xué)[8]采用LCL-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)和充電機(jī)的研制方案，充電方式為先恒流后恒壓，恒流電流為10 A，恒壓電壓為200 V，工作頻率為120 kHz，功率達(dá)到 2 kW，滿載效率在 93%以上；重慶大學(xué)[9]提出了基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的無(wú)線充電解決方案，系統(tǒng)功率可達(dá)10 kW，傳輸距離有35 cm，系統(tǒng)效率在85%以上，最大偏移距離達(dá) 20 cm；東北電力大學(xué)[10]采用串并補(bǔ)償拓?fù)洌O(shè)計(jì)了一種功率為 6.6 kW、效率為93.8%、定頻20 kHz的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，并驗(yàn)證了輸出端的恒壓特性。但以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸出功率仍偏低，不能很好地滿足大功率實(shí)驗(yàn)的需求。為此本文考慮了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)各種補(bǔ)償方式的電路特性和應(yīng)用場(chǎng)合，利用在發(fā)射端采用LCL型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、接收端采用S型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的方法，研制了一套大功率無(wú)線電能傳輸裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 工作原理

1.1 LCL-S諧振拓?fù)浣７治?/h3>

圖 1為原邊包含一個(gè)電壓型全橋逆變器和一個(gè)LCL復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)，副邊包含一個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)路和一個(gè)整流橋的LCL-S諧振拓?fù)浜?jiǎn)化電路圖。變換器的輸出通過串聯(lián)連接方式為負(fù)載供電。圖1中，Udc為電源，Up為高頻方波電壓，Lf為電感，If為電感電流，Ip為發(fā)射線圈電流，Cp為對(duì)應(yīng)線圈Lp的補(bǔ)償電容，Lp和Ls分別為發(fā)射線圈和接收線圈的自感，Mps為接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感，Is為接收線圈電流，Cs為諧振電容，Us為整流橋左側(cè)電壓，Cf為補(bǔ)償電容，Ucf為整流濾波電壓。考慮無(wú)損情況，可列出方程為[11-12]

圖1 LCL-S諧振拓?fù)浜?jiǎn)化電路圖

首先考慮Lp和Cp，Ls和Cs諧振的情況（即Lf取值暫不限定），可解得

此外，在認(rèn)為副邊電流為純正弦情況下，由于副邊為不控整流，因此保持同相，于是有：

其中P為傳輸功率，*代表共軛，為通過Cs的電流，為通過Lf的電流。由于此處考慮無(wú)損系統(tǒng)，因此可認(rèn)為輸入功率和輸出功率相等。

在設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注Lf偏離諧振時(shí)的幅值和相角，假定

由式（1）可得

進(jìn)一步整理并結(jié)合式（2）—（4），可得

整理得功率平衡公式為

1.2 同軸平行線圈互感

為使任意大小、任意距離的軸向線圈模型之間的互感系數(shù)能用關(guān)系簡(jiǎn)單明了的常用解析函數(shù)表示，采用Biot-SavartLaw導(dǎo)出互感系數(shù)積分公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。基于數(shù)值計(jì)算的方法，推導(dǎo)出同軸圓線圈在任意范圍內(nèi)的互感系數(shù)的分區(qū)近似解析表達(dá)式；數(shù)值微分解算后，得到線圈相互作用與線圈距離、大小的關(guān)系如圖2所示。

圖2 軸向線圈模型

圖 2為兩同軸圓線圈，半徑分別為R1和R2，相距為d。令K=R1/R2，稱為相對(duì)大小；z=d/R1，稱為相對(duì)距離。由于互感系數(shù)M12=M21，由 Biot-SavartLaw可證明其互感系數(shù)M的計(jì)算式為[13-14]

其中，0μ為真空磁導(dǎo)率，I0為k>1時(shí)無(wú)量綱的二重積分。將K控制在 0～0.3，此時(shí)略去式（8）中的xsinθ與x2兩項(xiàng)小值，得到互感系數(shù)的近似表達(dá)式：

其中，I為無(wú)量綱的二重積分。式（9）計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3為無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)線電能發(fā)送模塊將高頻電能轉(zhuǎn)化為高頻磁場(chǎng)，進(jìn)而與接收端線圈耦合。該平臺(tái)主要包含電源柜、功率整流、發(fā)射結(jié)構(gòu)、接收結(jié)構(gòu)、諧振電容5大部分。

圖 3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 發(fā)射模塊

無(wú)線電能發(fā)送模塊由發(fā)送線圈盤和發(fā)送端諧振電容組成，二者構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。發(fā)送線圈盤由 PP板骨架、線圈、磁體以及若干固定件組成，PP板骨架結(jié)構(gòu)如圖 4所示。在底板上的方環(huán)區(qū)域鋪設(shè)一層 15 mm厚的磁體，可保證較高的傳輸性能。在樣機(jī)中，磁體使用64塊100 mm×100 mm×15 mm的方形鐵氧體塊拼接而成。在嵌線板上的線槽內(nèi)嵌入利茲線，利茲線規(guī)格為直徑 0.1 mm×2 000股（一匝線圈由 2 000根（股）直徑為 0.1 mm的銅線組成，表面纏繞著漆包線），可滿足30 kW功率等級(jí)的傳輸需求。

圖4 發(fā)送線圈盤PP板骨架結(jié)構(gòu)

2.3 接收模塊

無(wú)線電能接收模塊由接收線圈盤和接收端諧振電容組成，二者構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。其中諧振電容為定制金屬膜電容，損壞率較低。接收線圈盤的骨架結(jié)構(gòu)如圖5所示，線槽內(nèi)嵌入規(guī)格為直徑0.1 mm×2 000股利茲線，可滿足傳輸30 kW功率的需求。在磁體框中鋪設(shè)一層15 mm厚的磁體。

圖5 接收線圈盤骨架結(jié)構(gòu)

3 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

3.1 雙脈沖實(shí)驗(yàn)

雙脈沖測(cè)試電路是常見的測(cè)試功率器件特性的電路，由直流電壓、二極管、SiC-MOSFET及電感和驅(qū)動(dòng)電路組成。對(duì)CREE公司的SiC-MOSFET半橋模塊CAS120M12BM2進(jìn)行多組工作條件下的雙脈沖實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)電路如圖6所示。

圖6 雙脈沖實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)1是在開關(guān)管DS兩端接入520 V左右直流電壓，通過設(shè)置合適的電感值，使其電流Id=50 A。觀察DS兩端在關(guān)斷時(shí)刻出現(xiàn)的電壓尖峰與振蕩（見圖7），尖峰電壓最大可達(dá)到250 V左右，振蕩在6個(gè)周期左右恢復(fù)。

圖7 520 V工作電壓脈沖實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2是在開關(guān)管DS兩端接入610 V左右直流電壓，通過設(shè)置合適的電感值，使其Id=60 A。觀察DS兩端在關(guān)斷時(shí)刻出現(xiàn)的電壓尖峰與振蕩（見圖8），尖峰電壓最大可達(dá)到288 V左右。與實(shí)驗(yàn)1相比，在DS兩端電壓增加400 V的條件下，關(guān)斷時(shí)刻電壓尖峰的最大值變化在30 V以內(nèi)，表現(xiàn)出較好的一致性。

圖8 610 V工作電壓脈沖實(shí)驗(yàn)

進(jìn)一步增加負(fù)載與工作電壓。實(shí)驗(yàn) 3是在開關(guān)管DS兩端接入720 V左右直流電壓，通過設(shè)置合適的電感值，使其Id=70 A。觀察DS兩端在關(guān)斷時(shí)刻出現(xiàn)的電壓尖峰與振蕩（見圖9），尖峰電壓最大可達(dá)到264 V左右。與實(shí)驗(yàn)1和2對(duì)比，DS兩端電壓進(jìn)一步增加，關(guān)斷時(shí)刻電壓尖峰的最大值變化在264 V以內(nèi)，同樣表現(xiàn)出一致性。

圖9 720 V工作電壓脈沖實(shí)驗(yàn)

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到以下兩組脈沖間隔為8 μs的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形，如圖10所示。其中，紫色為半橋模 塊上管 DS兩端電壓波形，將半橋模塊下管的體二極管作為上脈沖實(shí)驗(yàn)的續(xù)流二極管。從圖10(a)和10(b)的兩組波形可以看出，隨著DS兩端電壓的提高，DS關(guān)斷時(shí)刻的尖峰電壓有所提高，但是均在較小的可控范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該半橋模塊在電壓520～720 V、電流35～50 A的工作條件下均能滿足開關(guān)的快速性與可靠性要求。尖峰與振蕩周期限制在一定范圍內(nèi)，保證了在無(wú)線電能傳輸?shù)钠骷用婵煽啃浴６侮P(guān)斷時(shí)刻細(xì)節(jié)波形如圖11所示。

圖10 雙脈沖實(shí)驗(yàn)

圖11 雙脈沖實(shí)驗(yàn)二次關(guān)斷波形細(xì)節(jié)

3.2 開環(huán)控制帶載實(shí)驗(yàn)

帶載實(shí)驗(yàn)用于實(shí)現(xiàn)原邊的移相角調(diào)制控制策略，通過檢測(cè)副邊整流后的電容電壓或者負(fù)載電流的大小，將該值作為反饋量進(jìn)行計(jì)算。該計(jì)算結(jié)果通過限幅環(huán)節(jié)進(jìn)一步整定，最終用于控制原邊移相橋臂的相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓或輸出電流的控制。

大電流探頭的采樣頻率較慢，難以滿足對(duì)原邊線圈大功率電流的采樣需求，而通過串接霍爾傳感器進(jìn)行電流采樣受磁場(chǎng)干擾較大，因此下列實(shí)驗(yàn)僅對(duì)原邊串聯(lián)諧振電容兩端電壓與原邊線圈電感電流進(jìn)行采樣。圖12中綠色為諧振電容兩端電壓，紅色為原邊線圈電流。

圖12 開環(huán)帶載實(shí)驗(yàn)電路

圖13為當(dāng)兩橋臂的移相角設(shè)置為20°時(shí)，諧振電容電壓僅在波峰位置，存在因開關(guān)管導(dǎo)通，在流經(jīng)大功率電流時(shí)，諧振電容電壓產(chǎn)生的凸臺(tái)。其余未在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，諧振電容電壓接近正弦波，處在諧振工作狀態(tài)，且該諧振電壓與電流相位差為90°。導(dǎo)通期間，諧振電容兩端電壓值最大可達(dá)到1 800 V左右，線圈電流的峰值為14 A。

圖13 移相角20°時(shí)的諧振電容電壓波形

圖 14為移相角從原來(lái)的 20°增大40°時(shí)的諧振電容電壓波形。移相角的增大導(dǎo)致從原邊向副邊傳遞的能量增加，進(jìn)一步增大了線圈電流有效值。另外，線圈電流的增大導(dǎo)致諧振回路電壓乘以增益的值同等增大。諧振電容兩端電壓進(jìn)一步提高，凸臺(tái)所表示的移相角的持續(xù)時(shí)間跨度也隨移相角的增大而增大。

圖14 移相角為40°時(shí)的諧振電容電壓波形

由此分析可知，當(dāng)移相角為180°時(shí)，諧振電容兩 端將具有最大的電壓有效值，其細(xì)節(jié)波形如圖 15所示。

圖15 移相角為180°時(shí)的諧振電容電壓波形

由圖15可知，在導(dǎo)通時(shí)刻，諧振電容電壓上升，同時(shí)也導(dǎo)致電感電流出現(xiàn)微小的波動(dòng)，關(guān)斷時(shí)刻也有類似的小幅度振蕩。該振蕩的大小及持續(xù)時(shí)間與原邊線圈和原副邊耦合電感的大小有關(guān)。

3.3 閉環(huán)控制帶載實(shí)驗(yàn)

閉環(huán)帶載實(shí)驗(yàn)電路如圖16所示，通道1所示波形為原邊電壓，即A、B兩點(diǎn)間電壓；通道2所示波形為副邊電壓，即C、D兩點(diǎn)間電壓；通道3所示波形為原邊電流，即圖16中的紅色剪頭所示電流。

在無(wú)線傳輸平臺(tái)的串聯(lián)諧振為85、80和75 kHz時(shí)，對(duì)裝置進(jìn)行帶載實(shí)驗(yàn)。在85 kHz時(shí)，前級(jí)整流直流電壓為800 V，原邊電壓占空比為100%，負(fù)載電壓最高為550 V；在80 kHz時(shí)，前級(jí)整流直流電壓為800 V，負(fù)載電壓可控制為600 V，帶載22.6 kW，此時(shí)原邊電壓占空比為92.3%；在75 kHz時(shí)，前級(jí)整流直流電壓為 800 V，負(fù)載電壓可控制為 600 V，帶載 30 kW，此時(shí)原邊電壓占空比為 57.1%。帶載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。

圖16 閉環(huán)帶載實(shí)驗(yàn)電路

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于LCL-S型諧振，設(shè)計(jì)了一套大功率的無(wú)線電能傳輸裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)平臺(tái)的傳輸性能進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。確定了在工作頻率為75 kHz的情況下，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載輸出功率可達(dá) 30 kW，整機(jī)效率超過了80%。該裝置功率等級(jí)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中處于較高水平，為用于軌道交通、電動(dòng)汽車的大功率無(wú)線電能傳輸技術(shù)提供了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。