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      電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)雙邊LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性研究

      2020-03-17 05:28:16杉,
      黑龍江電力 2020年6期
      關(guān)鍵詞:恒流恒壓雙邊

      姜 杉, 胥 良

      (黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

      0 引 言

      隨著電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)尾家電、移動(dòng)電子產(chǎn)品等用電設(shè)備不斷深入人們的生活,無(wú)線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transmission,WPT)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,逐漸成為國(guó)際研究熱點(diǎn)之一。無(wú)線電能傳輸技術(shù)是一種新型的電能傳輸技術(shù),目前無(wú)線電能傳輸主要有電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式、微波輻射式、激光式和無(wú)線電波式。電磁感應(yīng)式傳輸效率受距離影響顯著;微波輻射式由于波長(zhǎng)原因易對(duì)通訊造成干擾;激光式在傳輸過(guò)程中會(huì)散失大量能量,且會(huì)受到障礙物影響;無(wú)線電波式磁通全方位輻射,難以接收;而磁耦合諧振式傳輸距離中等,電磁輻射小,系統(tǒng)效率高,具有廣闊的應(yīng)用前景,如電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)距離地面距離中等,無(wú)線充電時(shí)應(yīng)避免過(guò)強(qiáng)的電磁輻射,大多采用磁耦合諧振式電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

      磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,提出了串串SS、串并SP、并串PS、并并PP四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),其中SS和SP兩種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在不同參數(shù)、不同諧振頻率時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出,但是只有恒流模式下的SS型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和恒壓模式下的SP型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗角為零(Zero Phase Angle,ZPA);PS型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)僅能實(shí)現(xiàn)恒壓輸出,PP型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)僅能實(shí)現(xiàn)恒流輸出[1]?;狙a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,也意味著參數(shù)可以調(diào)節(jié)的自由度較少,電路的恒流、恒壓輸出受變壓器參數(shù)影響很大,大大增加了變壓器設(shè)計(jì)難度,因此,各種高階補(bǔ)償拓?fù)鋺?yīng)運(yùn)而生。例如:為了可以得到既具備恒壓特性,又具備恒流特性的多功能拓?fù)?,提出了由開(kāi)關(guān)控制改變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合拓?fù)?,但是其控制方式相?duì)復(fù)雜[2];雙邊LCL無(wú)線充電系統(tǒng)具有恒流輸出特性,參數(shù)較多,易于設(shè)計(jì)變壓器,在沒(méi)有恒壓輸出需求的情景應(yīng)用較多。因此在雙邊LCL拓?fù)涞幕A(chǔ)上,提出了雙邊LCC拓?fù)洌ㄟ^(guò)建立傳輸參數(shù)方程,探究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓輸出的不同的頻率條件,搭建了仿真模型,驗(yàn)證了該思路的正確性。

      1 雙邊LCC型WPT結(jié)構(gòu)及分析

      為了研究兼具恒流、恒壓輸出特性及ZPA的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),采用雙邊LCC型諧振拓?fù)洌丛陔p邊LCL型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,在發(fā)射和接收線圈支路分別串聯(lián)Cp2、Cs2,能量發(fā)射端及接收端分別由LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,元件個(gè)數(shù)的增加,減小了變壓器的設(shè)計(jì)難度[7],同時(shí)使諧振系統(tǒng)具有不同的諧振頻率,在不同的諧振頻率下可高效率實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出,功率容量比LCL更大[3-6]。雙邊LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

      圖1 雙邊LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Double-sided LCC compensation network

      圖1中:L1、L2為原邊、副邊補(bǔ)償電感;Cp1、Cp2、Cs1、Cs2為原邊、副邊補(bǔ)償電容;Lp、Ls為諧振線圈電感;Lm為線圈互感。雙邊LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)漏感模型如圖2所示。

      圖2 雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)漏感模型Fig.2 Leakage inductance model of double-sided LCC compensation network

      1.1 雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作原理分析

      雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒流、恒壓特性即補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出的電流或電壓與負(fù)載電阻無(wú)關(guān),由于電池充電期間等效電阻是變化的,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒流、恒壓特性可以保持輸出的穩(wěn)定性。綜合文獻(xiàn)[4-7]分析,將復(fù)雜的雙邊LCC諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為3個(gè)串聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò),各級(jí)輸入、輸出及參考方向如圖3所示。

      圖3 雙邊LCC諧振網(wǎng)絡(luò)二端口模型Fig.3 Two-port model of double-sided LCC compensation network

      分別求出圖3中3個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路參數(shù)和短路參數(shù),并列寫(xiě)它們的T參數(shù)方程:

      故雙邊LCC諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)方程為:

      (1)

      其中:

      1.2 雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)恒流輸出特性分析

      理想狀態(tài)下的無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率應(yīng)滿足

      (2)

      由式(1)、(2)可計(jì)算得到當(dāng)T11、T22=0時(shí),系統(tǒng)輸出具有恒流特性。

      Uin=-T12Io

      將圖2中對(duì)應(yīng)元件參數(shù)帶入式(1),得到當(dāng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系時(shí)輸出恒流。

      此時(shí)輸出電流與輸入電壓關(guān)系為:

      (3)

      其中,ωc為恒流模式下系統(tǒng)的工作頻率。

      此時(shí)雙邊LCC諧振系統(tǒng)輸出恒流,輸出電流僅受互感、頻率、補(bǔ)償電感值和輸入頻率影響。

      1.3 雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)恒壓輸出特性分析

      由式(1)可知,當(dāng)T12、T21=0時(shí),系統(tǒng)輸出具有恒壓特性。

      Uin=T11Uo

      將圖2中元件參數(shù)帶入式(1),恒流工作頻率下得出的元件參數(shù)在恒壓頻率下仍然滿足諧振關(guān)系,為簡(jiǎn)化計(jì)算難度,設(shè)系統(tǒng)滿足:

      ωv=λωc

      可得到:

      (4)

      式中:k為磁耦合系數(shù)。

      由此式(4)可見(jiàn),可實(shí)現(xiàn)恒流輸出、且參數(shù)滿足一定條件的雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),存在特定頻率可實(shí)現(xiàn)恒壓輸出,該頻率為恒流工作頻率的λ倍,輸出電壓受輸入電壓、磁耦合線圈自感和發(fā)射端、接收端補(bǔ)償電感影響。

      2 雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳輸功率分析

      雙邊LCC型電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)的效率因能量發(fā)射端及接收端均實(shí)現(xiàn)ZPA而得以提升,僅考慮發(fā)射線圈與接收線圈內(nèi)阻(R1=R2=0.1Ω),其他電路元件均為理想元件條件下,根據(jù)式(3)、式(4),實(shí)際效率應(yīng)為

      (5)

      式中:Q1、Q2分別為原邊、副邊電感線圈品質(zhì)因數(shù),Q1=ωL1/R1,Q2=ωL2/R2;k為磁耦合系數(shù)。

      由式(5)可見(jiàn),系統(tǒng)的效率受磁耦合系數(shù)、線圈品質(zhì)因數(shù)影響顯著,但是磁耦合系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)難度大,因此,提升線圈品質(zhì)與工作頻率可以大幅提升系統(tǒng)傳輸效率。在理想狀態(tài)下磁耦合系數(shù)在0.12~0.2之間,取不同磁耦合系數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率進(jìn)行仿真,如圖4所示,當(dāng)Q=(Q1Q2)1/2達(dá)到500左右時(shí),系統(tǒng)傳輸線路達(dá)到95%以上。

      圖4 磁耦合效率曲線Fig.4 Efficiency curves of magnetic coupling

      3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      根據(jù)前文分析設(shè)計(jì)出滿足恒流和恒壓模式條件的元件參數(shù),輸入電壓Uin=220 V,輸出電壓Uo=100 V,輸出電流Io=10 A,恒流模式工作頻率fc=71 kHz,恒壓模式工作頻率fv=83 kHz。各元件參數(shù)如表1所示。

      表1 元件參數(shù)表Table 1 Parameters of components

      采用Matlab/Simulink對(duì)雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,其負(fù)載電阻分別為5 Ω和10 Ω,驗(yàn)證了所提參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性,得到該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒流、恒壓輸出結(jié)果,并證實(shí)了該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)ZPA。

      實(shí)現(xiàn)恒流輸出(Io=10 A)及ZPA仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖5、圖6所示。

      圖5 RL=5 Ω雙邊LCC型WPT系統(tǒng)輸出電流及ZPAFig.5 Output current and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 5 Ω

      圖6 RL=10 Ω雙邊LCC型WPT系統(tǒng)輸出電流及ZPAFig.6 Output current and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 10 Ω

      實(shí)現(xiàn)恒壓輸出(Uo=100 V)及ZPA仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖7、圖8所示。

      圖7 RL=5 Ω雙邊LCC型WPT系統(tǒng)輸出電壓及ZPAFig.7 Output voltage and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL= 5 Ω

      圖8 RL=10 Ω雙邊LCC型WPT系統(tǒng)輸出電壓及ZPAFig.8 Output voltage and ZPA of double-sided LCC WPT system with RL=10 Ω

      4 結(jié) 語(yǔ)

      對(duì)雙邊LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)分析,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣方程探究了網(wǎng)絡(luò)的恒流、恒壓及ZPA特性,并驗(yàn)證了系統(tǒng)的傳輸效率,證明了在不同的工作頻率下,雙邊LCC拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)恒流、恒壓輸出,同時(shí)保持系統(tǒng)的等效阻抗呈阻性,減少損耗,在僅考慮線圈內(nèi)阻的條件下,系統(tǒng)的傳輸效率可達(dá)95%以上。

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