磁場耦合諧振式無線電能傳輸補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效率特性分析

吳振軍 馮凱 竇智峰 高鵬飛 金楠 武潔

摘要：構(gòu)建磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)4種諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（原邊串聯(lián)副邊串聯(lián)型、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)型、原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)型和原邊并聯(lián)副邊并聯(lián)型）的等效電路模型，分析磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的效率特性，研究耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)對系統(tǒng)效率的影響.仿真結(jié)果表明，副邊諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)效率影響較大，系統(tǒng)效率對耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)的變化較為敏感，與副邊采用串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式相比，副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)有更寬的高傳輸效率范圍.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性.

Abstract：Four resonance compensation topologies equivalent circuit models for magnetic field coupling resonance wireless power transfer system （primary side series and secondary side series type，primary side series secondary side parallel type，primary side parallel secondary side series type and primary side parallel secondary side parallel type） was constructed. The efficiency characteristics of magnetic field coupling resonance wireless power transfer systemwasanalyzed. The influence of coupling coefficient and quality factor on system efficiency was studied. The simulation results showed that the secondary side resonance compensation topology had a greater impact on the system efficiency，and the system efficiency was more sensitive to changes in the coupling coefficient and quality factors.

Compared with the secondary side using the series compensation topology，the system had a wider range of high transfer efficiency when the secondary side used the parallel compensation topology. The experimental results verified the correctness of the simulation results.

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸;諧振;等效電路;系統(tǒng)效率

Key words：wireless power transfer;resonance;equivalent circuit;system efficiency

中圖分類號：TM15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-1553（2021）02-0083-09

0 引言

作為一種新型電能傳輸技術(shù)，無線電能傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸，擺脫導(dǎo)線的束縛，使電能的接入更加靈活、安全、方便，在移動(dòng)機(jī)器人、便攜式移動(dòng)設(shè)備、植入式醫(yī)療設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3].

無線電能傳輸方式主要有電磁感應(yīng)式、電磁輻射式和耦合諧振式3種[4-7].電磁感應(yīng)式無線電能傳輸通過磁耦合方式傳輸能量，采用分離變壓器在傳輸空間產(chǎn)生高頻交變磁場，完成電能的非接觸傳輸.但該傳輸方式中磁芯容易飽和，線圈熱損耗較大，只適用于短距離無線電能傳輸[8].電磁輻射式無線電能傳輸先將電能轉(zhuǎn)換為電磁波進(jìn)行傳輸，再由天線接收，通過轉(zhuǎn)換器將電磁波轉(zhuǎn)換為電能.該傳輸方式傳輸距離較遠(yuǎn)，但傳輸效率較低且傳輸輻射較大[9-10].耦合諧振包括電場耦合和磁場耦合兩種形式.在電場耦合式無線電能傳輸中，電源側(cè)的金屬平板和負(fù)載側(cè)的金屬平板形成電容，利用電容的電場進(jìn)行電能傳輸，這種傳輸方式的應(yīng)用較少[11-12].磁場耦合式無線電能傳輸主要利用共振和電磁感應(yīng)原理，將電能通過磁場傳遞到接收側(cè)，使其在中等距離傳輸時(shí)，仍能獲得較高效率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響[14].根據(jù)補(bǔ)償電容位置不同，磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為原邊串聯(lián)副邊串聯(lián)（SS）型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)（SP）型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)（PS）型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原邊并聯(lián)副邊并聯(lián)（PP）型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).與電磁輻射式相比，磁場耦合式無線電能傳輸方式對電磁環(huán)境影響較小，且功率較大;與電場耦合式相比，該方式傳輸距離較遠(yuǎn)，因此磁場耦合式無線電能傳輸?shù)玫綇V泛應(yīng)用[15-16].

目前磁場耦合式無線電能傳輸?shù)难芯恐饕性趥鬏斁嚯x、帶負(fù)載能力等方面[17-21]，由于磁場耦合諧振式無線電能系統(tǒng)本身固有的特點(diǎn)，系統(tǒng)磁路耦合機(jī)構(gòu)的漏磁現(xiàn)象較嚴(yán)重，系統(tǒng)中的無功功率較大，限制了系統(tǒng)的傳輸效率和能力.針對這個(gè)問題，目前普遍采用諧振補(bǔ)償方式進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，但磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率[22]、品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)對不同諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的影響等問題[23]尚未得到有效解決.文獻(xiàn)[24]利用負(fù)載阻抗模型，分析原、副邊采用不同補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)對初、次級繞組電壓電流的影響，但補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對效率特性的影響尚不明確.文獻(xiàn)[25]采用新型LCL諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)傳輸效率，但增加了系統(tǒng)控制復(fù)雜度.文獻(xiàn)[26]通過改變諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電感值，使系統(tǒng)始終保持諧振狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較困難.

鑒于此，本文擬針對磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，建立4種諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路模型，推導(dǎo)系統(tǒng)效率表達(dá)式，研究耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率的影響，以期明確不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率特性，為實(shí)際應(yīng)用場景選擇不同補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供理論參考.

1 磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)由直流電壓源供電，逆變后產(chǎn)生高頻交流電，原邊與副邊線圈通過磁場耦合的方式傳輸電能，將交流電傳輸至副邊整流后供負(fù)載使用.本文從等效電路的角度建立無線電能傳輸模型，構(gòu)建等效電路并設(shè)置其具體參數(shù)，對系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率進(jìn)行計(jì)算、推導(dǎo)和分析.為了簡化分析，將副邊整流部分去掉，副邊剩余部分直接連接負(fù)載，在研究不同副邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)只需等效折算即可.

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其中Vin為原邊輸入電壓;MOSFET全控開關(guān)管Q1—Q4組成原邊逆變電路;Lp、Ls、Rp、Rs、Cp、Cs分別為原邊和副邊的線圈自感值、電阻、補(bǔ)償電容;Vo為負(fù)載電壓值;Io為負(fù)載電流;Vp為交流電壓源;Ip為逆變器輸出電流;RL為負(fù)載電阻;M為初級繞組與次級繞組之間的互感值，其大小主要取決于線圈.

本文SS型和SP型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的無線電能傳輸系統(tǒng)，輸入電壓的有效值恒定，輸入電流隨負(fù)載變化而改變，被稱為電壓型磁場耦合諧振式系統(tǒng);PS型和PP型無線電能傳輸系統(tǒng)輸入電流的有效值恒定，輸入電壓隨負(fù)載變化而改變，被稱為電流型磁場耦合諧振式系統(tǒng).

2 4種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路模型

2.1 SS型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SS型無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路如圖2所示，根據(jù)基爾霍夫定律（KVL）可列出方程：

質(zhì)因數(shù)Q0和系統(tǒng)耦合系數(shù)K有關(guān).但系統(tǒng)傳輸效率公式較為復(fù)雜，需進(jìn)行仿真進(jìn)一步分析其變化趨勢.

3 仿真結(jié)果與分析

為進(jìn)一步分析耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)傳輸效率的變化趨勢，在Matlab軟件中搭建4種諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖6—7所示.

當(dāng)系統(tǒng)副邊品質(zhì)因數(shù)Q0=20時(shí)，不同諧振拓?fù)漶詈舷禂?shù)與效率關(guān)系曲線如圖6所示.由圖6可知，4種諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最高效率點(diǎn)均出現(xiàn)在諧振點(diǎn)ωr=1.00附近.由圖6a）和b）可知，對于副邊串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，耦合系數(shù)K越低，系統(tǒng)效率對諧振頻率變化越敏感，即保證系統(tǒng)工作在高傳輸效率的頻率范圍越窄.當(dāng) ωr<1.00時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率的增大而升高，耦合系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)在低頻段效率隨耦合系數(shù)的增大而升高;當(dāng)ωr>1.00時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率的增大而降低，耦合系數(shù)較小時(shí)，系統(tǒng)效率對諧振頻率變化較敏感，即K值的微小增加會(huì)引起效率明顯下降.

由圖6c）和d）可知，對于副邊并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)ωr<1.00時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率的增大而升高，耦合系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)效率對諧振頻率的變化較敏感，即K值的微小增加會(huì)引起效率明顯上升，且在其他條件相同的情況下，耦合系數(shù)越大，系統(tǒng)傳輸效率越高;當(dāng)ωr>1.00 時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率的增大而降低，耦合系數(shù)較小時(shí)，系統(tǒng)效率對諧振頻率變化較敏感.對比副邊串聯(lián)結(jié)構(gòu)與副邊并聯(lián)結(jié)構(gòu)的效率曲線可知，副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)工作在高傳輸效率的范圍比串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更寬.

圖7給出了當(dāng)耦合系數(shù)K=0.3時(shí)，不同諧振拓?fù)淦焚|(zhì)因數(shù)與效率關(guān)系曲線.由圖7a）和b）可知，對于副邊串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在Q0值較低時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率的增加而逐漸升高;在Q0值較高時(shí)，系統(tǒng)效率最高值在ωr=1.00 附近，若諧振頻率繼續(xù)升高，系統(tǒng)效率略微下降;當(dāng)ωr>2.00時(shí)，系統(tǒng)效率受品質(zhì)因數(shù)影響較小，若諧振頻率繼續(xù)升高，不同品質(zhì)因數(shù)下系統(tǒng)效率會(huì)趨于一個(gè)相對穩(wěn)定的值.

由圖7c）和d）可知，對于副邊并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)效率最高值在ωr=1.00附近，當(dāng)ωr<1.00時(shí)，系統(tǒng)效率隨諧振頻率增大而升高，品質(zhì)因數(shù)Q0較大時(shí)，系統(tǒng)效率對諧振頻率變化較敏感，即Q0值的微小增加會(huì)引起系統(tǒng)效率明顯上升，且在其他條件相同的情況下，品質(zhì)因數(shù)Q0越高，系統(tǒng)效率越高;當(dāng)ωr>1.00，系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)Q0=50時(shí)，諧振頻率的變化對系統(tǒng)效率幾乎沒有影響，隨著Q0值的減小，系統(tǒng)效率隨諧振頻率增大而降低，且Q0值越小，系統(tǒng)效率對諧振變化越敏感，在低品質(zhì)因數(shù)下，系統(tǒng)工作在高傳輸效率的頻率范圍較窄.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行系統(tǒng)電能傳輸實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)傳輸效率與副邊不同結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)中原邊系統(tǒng)采用串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，副邊系統(tǒng)分別采用串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流電壓源為Myway APL-II，控制芯片選擇為TMS320F28335DSP，功率開關(guān)管選擇為C2M0080120D，二極管選擇為C4D20120D，使用示波器YOKOGAWA DLM4058采集波形.實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)與仿真參數(shù)一致.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8—9所示.

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)電能傳輸諧振頻率為28.6 kHz.由圖8可知，系統(tǒng)副邊為串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，原、副邊輸出的電壓和電流同相位，說明本文無線電能傳輸以磁場耦合諧振方式進(jìn)行.由圖9可知，系統(tǒng)副邊采用串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本吻合，且副邊為并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)的高傳輸效率范圍更寬，該結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的正確性.

5 結(jié)語

本文針對無線電能傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建了4種諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路模型，分析了磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的效率特性，研究了耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)對系統(tǒng)效率的影響.仿真結(jié)果表明，副邊諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)效率影響較大，系統(tǒng)效率對耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)的變化較敏感，當(dāng)副邊為串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)工作在高傳輸效率的范圍較窄;當(dāng)副邊為并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，相比于串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有更寬的高傳輸效率范圍.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性.在無線電能單向傳輸?shù)幕A(chǔ)上，下一步工作將重點(diǎn)研究分析無線電能雙向傳輸，并加入信息傳輸部分以擴(kuò)大實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域.

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