单端补偿的新型无线电能传输系统研究

陈 月，沈锦飞

（江南大学，江苏无锡214122）

0 引言

近年来，谐振式无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）越来越受到关注，因为它省掉用电设备错综复杂的电线连接，给人们生活带来很大的方便［1］。最广泛的谐振式WPT系统由两个线圈组成：能量的发射端和能量的接收端。在发射和接受线圈两端分别串联或者并联上一个电容器，补偿系统无功功率，并与线圈等效电感发生谐振，通过电磁场连接两个耦合线圈能实现电能传输的高效性［2］。本文提出单端补偿WPT系统，系统只有发射线圈两端串有补偿电容，而接受端谐振电路的主要作用有：（1）补偿接收端的无功功率；（2）通过移相控制调节输出功率；（3）实施动态调谐以保证系统的传输效率。本文对系统的等效电路模型进行了理论分析，PSpice仿真和5 kW实验样机的结果都验证了理论分析的正确性和控制方案的可行性。

1 新型WPT系统的提出

如图1所示，H桥逆变器作为AC源，VT1～VT4是逆变器的开关管，Cp是发射端并联补偿电容，Rp和Rs是线圈Lp和Ls的寄生电阻，Cs是接收端补偿电容并联在线圈Ls两端，二极管不控整流器平行接在Cs两端，线圈Lp和Ls是通过互感M发生磁耦合。

图1 两种串并式WPT系统

本文提出的新型WPT系统，补偿电容Cp仍然串联在发射端，与传统SP补偿系统不同的是舍去了接收端的补偿电容，如图1（b）所示，且接受线圈Ls直接与全桥可控整流器相连，MOSFET管VT5-8是逆变器的开关管。该系统中，直流电容Co有两个作用：（1）滤波作用；（2）对接收端无功功率进行补偿，相当于并联补偿电容。当输入电压Up和输出电压Us的频率与系统的本征频率相等时系统发生谐振，此时系统工作在最佳状态。记Up和Us的相位差为φ，通过移相控制调节该WPT系统的输出功率。

2 新型WPT系统的特性分析

2.1 输出功率分析

系统稳定时，逆变器输出电压近似正弦波。寄生电阻很小，为计算方便，忽略不计，等效电路如图2所示。Up是逆变器端电压，是角频率ω的方波，ip是发射线圈中的正弦电流，Us是PWM整流器端电压，is是接受线圈中的谐振电流，Up、Us之间相位差为φ。

图2 传输系统的等效电路

根据网孔电流法：

其中L＝Lp＝Ls，谐振角频率ωo为：

当ω＝ωo时系统发生谐振。根据公式（1）可得发射回路和接受回路的谐振电流Ip和Is分别为：

假设输出电压只有基波分量而没有高次谐波，则逆变器及整流器端电压正弦分量Upsin、Ussin分别为：

根据公式（3）、（4）、（5）可得传输功率Ps为：

整个系统的传输效率为：

如果接收端连接的是电阻性负载则电压源Us上消耗的功率为

2.2 控制策略

在一个输入端和接收端都有电压源的双向WPT系统中，通过改变相位角φ，既能改变输出功率的大小，还能调节功率流向［3，4］。本文中只有接收端有电压源Udc，因此，电能只能从发射端流向负载，通过对发射端逆变器和接收端整流器触发脉冲的控制，来调节逆变器端电压和整流器端电压的相位差从而控制输出功率。

简单的控制过程如图3所示。前五条波形是发射端逆变器开关管VT1-4的触发信号和输入电压波形与正弦分量，后五条是接收端可控整流器开关管VT5-8的触发信号及输出电压和正弦分量。由图3可知，VT1-4的延迟时间决定着Up的相位，通过改变VT1、4促发脉冲的延迟时间差t来改变输入电压Us的相位，而VT5-8的延迟时间决定Up的相位，改变VT5、8触发脉冲的延迟时间差t来改变输出电压Us的相位，实际上满足t／T＝φ／2π。

图3 开关管的触发信号及相关电压波形

开关管的延迟时间和相位的关系如表1。

表1 延迟时间与相位

因此，可以通过改变延迟时间t来改变Us和Up的相位差，调节输出电流is的幅值。理想状态下当输入端与输出端相位差恒定在90°时，输出功率最大。

3 仿真分析与实验验证

基于上述理论，应用电力电子专用仿真软件包Pspice，分别对φ＝30°、φ＝60°、φ＝90°时的 WPT系统进行仿真，仿真参数见表2，仿真结果如图4。

表2 仿真参数

图4 仿真波形

Us超前Up0°到180°之间时，电能从发射端传输到接受端，忽略寄生电阻，φ＝90°时输出功率最大［5］。忽略寄生电阻的功率损耗、开关管的开关损耗和电容器的ESR，WPT系统的传输效率应为100%，也就是说输入功率电阻负载接收的实际功率等于Pp，但实际操作不可能达到绝对理想的状态。由仿真结果知，系统谐振时，输出电流近似于正弦波，其频率为系统的开关频率66.7 k Hz，当φ＝90°、30°时副边谐振电流峰值is分别为25 A、27 A，而当φ＝60°时is的峰值高达29 A，输出功率最大达5 k W。

本文建立了5 kW的实验样机，由上文可知当移相角为60°时输出电流幅值最大，输出功率最大为5 kW。输出电压Us和输出电流is的波形如图5所示。

图5 实验波形

4 结 论

与常规系统相比，本文提出的有源谐振式无线电能传输系统，用可控整流器取代了常规系统的二极管整流桥，且系统中只有一个补偿电容，从而降低了接受回路失谐的可能性。此外，可以通过对发射端的逆变器和接收端的可控整流器的相移控制调节输出功率。本文给出了传输系统的等效电路，考虑寄生电阻对系统的影响分别对相角为90°、60°、30°的系统进行仿真分析，得知在60°时系统的传输功率最大化。相移控制策略可以用来减小寄生电阻对系统造成的负面影响，保证系统可以实现功率最大限度的传输。5 kW试验样机的建立验证了理论分析的正确性和移相控制的可行性。

［1］ Linhui Chen，Shuo Liu，Yong Chun Zhou，etɑl.An Optimizable Circuit Structure for Hign-Efficiency Wireless Power Transfer［J］.IEEE transactions on industrial electronics，2013，60（1）：339-349.

［2］ Lee S H，Lorenz R D.Development and Validation of Model for 95%Efficiency，220W Wireless Power Transfer over a 30cm Air-Gap［C］.ECCE，2010：885-892.

［3］ Bosshard R，Badstubner U，Kolar J W，Stevanovic I.Comparative evaluation of control methods for Inductive Power Transfer［C］.in Renewable Energy Research and Applications（ICRERA），2012 International Conference on，Nagasaki，2012：1-6.

［4］ Thrimawithana D J，Madawala U K，Neath M.A Synchronization Technique for Bidirectional IPT Systems［J］.Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2013，60（1）：301-309.

［5］ Simard G，Sawan M，Massicotte D.High-Speed OQPSK and Efficient Power Transfer Through Inductive Link for Biomedical Implants［J］.Biomedical Circuits and Systems，IEEE Transactions on，2010，4（1）：192-200.