感应耦合传输系统的建模分析

赵一帆，韩如成，刘红兵

（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）

感应耦合传输系统的建模分析

赵一帆，韩如成，刘红兵

（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）

针对非接触电能传输（ICPT）系统负载变换时造成原边回路电流不能保持恒定的问题，介绍了一种新型的基于LCL谐振补偿网络的ICPT系统拓扑结构。建模分析了基于LCL补偿的ICPT系统的等效电路模型，并对LCL型ICPT系统所表现出的恒流、恒压特性进行仿真分析和验证，为ICPT系统的设计和分析提供了良好思路。

电能传输；非接触式；感应耦合

1 引言

随着智能技术与电力电子技术的快速发展，非接触式电能传输 CPT（Coupled power transfer）技术［1、2］作为一种新型的电能传输技术而逐渐被人们所采用，其打破了传统的电能传输必须依靠接触导体的束缚，实现了电源与用电设备之间在非物理接触情况下的能量传输。该技术具有便捷、安全、低维护、可靠性高及环境亲和力强等优点，克服了传统电能传输方式所带来的有磨损、有火花等缺点，在潮湿、水下、易燃、易爆等特殊环境下有广阔的应用前景。感应耦合式电能传输ICPT（Inductively coupled power transfer）技术相对于其它方式（磁共振、微波式等）是一种更为成熟的无线输电技术，其传输功率和效率均较高，未来有很高的使用价值和广阔的应用前景［3］。

ICPT技术是以电磁感应为基本原理，将电能转化为磁能，使用松耦合变压器，在较大的气隙内通过磁场将能量从原边耦合线圈传递到副边线圈。松耦合变压器一方面使系统的原、副边实现了能量的非接触式传输，但另一方面因其漏感大、耦合系数很低而限制了系统的传输功率和效率。为此，ICPT系统通常会在初、次级电路中添加补偿电路，以构成谐振网络来减小线路损耗、开关损耗及器件应力。最常用的补偿方式有串联补偿和并联补偿，在初、次级电路中分别串联或并联补偿电路，有4种补偿结构，即串－串（SS）结构、串－并（SP）结构、并－串（PS）结构和并－并（PP）结构。文献［4、5］对 4 种补偿结构进行了详细的对比和分析，并得出了4种传统补偿电路，它们分别适合于不同的应用场合。ICPT系统采用并联补偿时，由于谐振频率随着负载的变化而变化，所以其不适合可变负载的应用场合；初级串联补偿由于输入电流和初级电流相等，若副边电路不存在或负载很小时，原边电路会产生很大的电流，所以初级串联补偿仅适用于初级电流较小的非接触性电能传输系统。

LCL属于广义的T型谐振网络［6］，是一种混合补偿，具有恒流源特性和单位功率因数的特点。本文使用的非接触电能传输系统模型利用LCL补偿特性，通过谐振变换的方式，直接实现原边恒流、副边恒压。本文主要探讨LCL型高阶ICPT系统，给出其参数设计方法。与传统的补偿方式相比，LCL型ICPT系统具有较高的功率因数，能够有效改进系统的性能。

2 LCL型ICPT系统原理与建模

2.1 基于LCL补偿的ICPT系统原理

典型的基于LCL谐振补偿的ICPT系统的拓扑结构图如图1所示。整个系统的主电路由原边发射端和副边拾取端两部分组成。其中原边侧是由S1－S4组成的全桥逆变电路、初级电感LP、初级补偿电容CP和松耦合变压器初级线圈LP组成的LCL谐振网络电路。输入的直流电压Uin通过逆变器和LCL谐振网络，在原边发射线圈LP上产生一个高频交变电流，从而在附近产生一个同频率的交变磁场，依据法拉第电磁感应定律，副边拾取线圈LS上能感应出一个高频交变电压，补偿电容CS与副边接收线圈LS谐振，并经过整流环节为负载提供稳定的电能。

图1 LCL型ICPT系统拓扑结构图

2.2 基于LCL补偿的ICPT系统建模

感应耦合机构（松耦合变压器）和谐振网络是整个 ICPT 系统中最为重要的两个部分［7、8］。为了更好地分析ICPT系统，为参数优化提供依据，需要对整个ICPT系统进行建模分析。

由于ICPT系统使用的松耦合变压器的耦合性能较差，原、副边不能满足匝比关系，因此本文使用更合适的互感模型来表示系统的等效电路［9］。如图2所示为基于LCL型谐振补偿网络的ICPT系统等效电路图。过数学计算求得，。为了简化分析，根据正弦等效原理，副边整流滤波电路可以等效为电阻（RL＝8／π2R0），Zs为次级阻抗，Zr为次级电路通过 M反映到初级电路的反映阻抗。

图2 LCL型ICPT系统等效电路图

这里假设所有的开关管都是理想的，且输入的电源视为一个理想的直流电压源，其中－jωMIS和jωMIP分别为原、副边的互感电动势。在实际电路中，相对于负载而言，Lr、Lp、Ls的电阻较小，所以可以忽略不计。其中初、次级线圈的互感M可以通

3 LCL谐振补偿网络参数设计及特性分析

3.1 参数设计

相比于传统的补偿结构，基于LCL补偿的ICPT系统的元件参数更为复杂但相对灵活。依据图2等效模型可知，副边电路的总阻抗ZS为：

由于副边线圈在原边要产生感应电动势，就相当于副边电路会在原边产生一个等效的反映阻抗，其值为：

则系统总阻抗Zt为：

令Z→0，可得：

此时，可以求得ICPT系统的谐振频率。

进一步分析，ICPT系统的总输入阻抗Zt包括实部

虚部

为了保持逆变器的输出电压与输出电流同相位，那么就要求虚部为0，这样逆变器只需要给负载提供有功功率。可以近似得到下式：

这可以看出逆变输出电流Ir与原边谐振电流Ip的比例关系，并看出两者的相位差为180°。

3.2 特性分析

对于ICPT系统而言，负载扰动是不可避免的。只要实现原边发射线圈电流恒定，就能使变压器的次级系统获得恒定功率。在实际应用中，对于带负载且要求有额定电压或电流的用电设备（电池、电机等）而言，实现副边恒压或者恒流就显得很重要［10］。

仍然以图2为研究对象，当取

此时系统原边谐振电流Ip为

由上式可以看出，原边谐振电流与负载R无关，系统表现出很好的恒流特性。

如图3所示为副边电路使用LCL谐振补偿网络时的等效电路图。其中LS、CS、Lf组成了LCL型谐振补偿网络。

对其进行稳态分析，可知流过负载的电流为：

副边总阻抗为：

流过副边线圈的电流为：

当谐振频率满足

可得负载电流

可见副边电路使用LCL谐振补偿的ICPT系统输出电流只与互感M和次级线圈电感Ls有关，与负载RL的大小无关，且与原边谐振电流成正比关系，电路表现出恒流输出特性。

同理，分析副边LCL电路的恒压特性，可以计算出负载电压

其与负载大小无关，与原边谐振电流成正比关系。

通过对LCL谐振补偿网络应用于原边和副边的特性分析可知，其自身稳定，减少了系统的复杂程度，降低了损耗，节省了成本，对实际应用有很好的改进效果。

4 系统仿真分析

根据上述的分析，利用Matlab软件搭建系统电路模型进行仿真研究，分析其恒流特性与恒压特性。

如图4所示为原边恒流原理图。系统在固定开关频率20kHz驱动逆变器情况下运行，原边使用基于LCL谐振网络的电路拓扑结构，主要参数为直流电源 Uin＝60V，Lr＝110.3μH，Lp＝112.3μH，Cp＝0.68μF，Ls＝112μH，Cs＝0.67μF。如图 5 所示为副边电路的负载在 0.04s、0.06s、0.08s 依次减小状态下的原边谐振电流Ip与逆变电流Ir的仿真波形图。由图可知，在副边电路负载减小的情况下，逆变输出电流随着负载的变小而变小，而原边线圈谐振电流则表现出了很好的恒流效果，满足了次级系统获得恒定功率的目的。

图4 原边恒流原理图

为了验证其恒压特性，系统副边同样使用基于LCL的谐振网络，如图6所示。在满足理论分析的条件下，采用硬开关频率20kHz驱动原边电路逆变器，对系统副边输出电压进行仿真研究。原边元件参数不变，电压源 Uin＝140V，副边

图5 原边恒流特性仿真图

图6 副边恒压原理图

元件参数调整为：Ls＝112μH，Lf＝110μH，Cs＝0.94μF，如图7所示为负载恒压仿真图，由图可知，负载电压和原边谐振电流表现出了很好的稳定性，说明了理论分析的正确性。同样可以看出，在高电压情况下，逆变电流也能表现出不错的稳定性。

图7 负载恒压仿真图

5 结束语

本文讨论了一种基于LCL谐振补偿网络的非接触电能输电系统（ICPT）。对ICPT系统的结构进行了介绍，对基于LCL的谐振补偿感应耦合机构的建模方法进行了分析，对基于LCL的谐振补偿结构进行了参数设计，对基于LCL的谐振补偿网络ICPT系统进行了仿真研究，验证了其原边恒流及副边恒流恒压的特性，为ICPT系统的设计应用提供了一个良好的思路。

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Modeling analysis of inductive coupling power transmission system

ZHAO Yi－fan，HAN Ru－cheng，LIU Hong－bing
（College of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

As regard to the problem of the current of the primary loop cannot be constantly maintained due to the ICPT load changes，a new type of ICPT topology based on LCL resonant compensating network is proposed.The equivalent circuit model of the ICPT system based on LCL compensation is established and analyzed.The constant current and constant voltage properties showed by the ICPT system are analyzed and verified by Matlab simulation，and which provide a good thinking for design and analysis of the ICPT system.

power transmission；contactless；inductive coupling

TM72

A

1005—7277（2016）05—0026—04

赵一帆（1990－），男，硕士，主要研究方向为非接触式电能传输技术。

2016－07－11