无线电能传输系统补偿拓扑综述

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　350116)

1　引言

无线电能传输技术(Wireless Power Transmission，WPT)在消费电子、人体植入医疗设备、智能家居、电动汽车充电等领域应用日益广泛，极大的方便了人们的生活，从几瓦到上千瓦功率范围的应用都得到了深入的研究。按能量传输方式来分，主流的无线电能传输系统分为感应耦合式(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)[1]、磁耦合谐振式(Electro-magnetic Resonant Power Transmission，ERPT)[2-3]。感应耦合式无线电能传输技术工作频率较低，其结构上类似于普通变压器，通过高导磁材料作为磁通路径，因此又称为可分离变压器(Detachable Transformer)、松耦合变压器(Loosely Coupled Transformer,LCT)，感应耦合式无线输电系统具有传输效率高，漏磁通小的优点，但传输距离较近，且对位置偏移较为敏感。磁耦合谐振式无线电能传输技术利用磁谐振近场耦合，系统工作在MHz频率下，传输距离从厘米级到米级，且线圈位置鲁棒性相对较好，但随着频率上升，线圈设计更为复杂且控制难度较大，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有巨大的应用潜力及研究价值[4-8]。

两线圈无线电能传输系统结构框图如图1所示，系统主要由功率因素校正电路、高频逆变器，原边补偿拓扑，磁耦合结构、副边补偿拓扑、高频整流和功率电压调节构成。作为系统的重要组成部分，补偿拓扑对于提高系统功率因数，改善输入输出特性和提高系统效率都有重要影响。

图1　无线电能传输系统结构框图

2　WPT系统补偿网络

对于两线圈无线电能传输系统，根据发射侧和接受侧的补偿电容位置不同，其补偿拓扑主要分为原边串联副边串联(Series- Series，SS)、原边串联副边并联(Series-Parallel，SP)、原边并联副边并联(Parallel-Parallel，PP)、原边并联副边串联(Parallel-Series，PS)四种基本模型，如图2所示。其中Lp为发射线圈自感，Ls为接受线圈自感，M为原副边互感，Cp为原边补偿电容，Cs为副边补偿电容。

图2　WPT系统的基本补偿拓扑

对于电压源型逆变器，为了达到更好的谐振效果，一般采用原边串联补偿的方式，对于电流源型逆变器，一般采用原边并联补偿的方式[9]。四种基本补偿拓扑电容值的选取如表1所示。

四种补偿拓扑各有优缺点，在此基础上，相关文献提出了SP/S、SP/P、S/SP、双LCL补偿、LCC等新型补偿拓扑[10-14]，以提高了功率传输能力和传输效率，减小系统对线圈位置的敏感性。

表1　补偿拓扑电容值的选取

3　补偿网络模型分析

3.1　SS补偿拓扑

对于SS型补偿拓扑，耦合电感解耦等效电路模型如图3所示，为了方便理论分析，假设电路中元件均为理想电感，理想电容和理想电压源，Re为整流桥输入等效电阻。

图3　SS型补偿拓扑等效模型

由诺顿定理，将电阻Re两端可以等效为电流源Isc和导纳Yeq的并联电路。其中

Isc=

(1)

Yeq=

(2)

电源两端输入阻抗Zin为:

(3)

当Cp与Lp谐振，Cs与Ls谐振，即w2CpLp=1，w2CsLs=1，此时有

(4)

Yeq=0

(5)

电阻Re两端可以等效为并联电流源Isc，系统具有恒流输出特性。

取Lp=150uH，Ls=130uH，Cp=16.89nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Vin=48V，f=100kHz时在不同Re下电压增益和输入相角随频率变化曲线如图4～5所示，可以看出，随频率的变化不同负载下曲线会出现两个增益交点，在交点上电阻Re两端等效为电压源。并且随着电阻负载的减小，输入侧将会出现三个谐振点，谐振点处输入阻抗呈纯阻性。

3.2　SP补偿拓扑

SP型补偿拓扑解耦等效电路模型如图6所示，由戴维宁定理，电阻Re两端可以等效为电压源Voc和阻抗Zeq的串联电路。

图4　输出电压增益

Voc=

(6)

(7)

图5　输入相角

图6　SP型补偿拓扑等效模型

电源两端输入阻抗Zin为:

(8)

(9)

Zeq=0

(10)

电阻Re两端等效为并联电压源Voc，系统具有恒压输出特性。取Lp=150uH，Ls=130uH，Cp=17.7nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Vin=48V，f=100kHz时在不同Re下电压增益和输入相角随频率变化曲线如图7、8所示，可以看出，随着负载的增大，电压增益由单峰变为双峰。输入相角由单谐振点变为三个谐振点，谐振点处输入阻抗呈纯阻性。

图7　输出电压增益

3.3　PP补偿拓扑

输入端为电流源型逆变器时原边采用并联补偿，PP型补偿拓扑等效模型如图9所示。由戴维宁等效电路置换Re端口，其中

图8　输入相角

(11)

(12)

图9　PP型补偿拓扑等效模型

电源两端输入阻抗Zin为:

(13)

(14)

Zeq=0

(15)

电阻Re两端等效为并联电压源Voc，系统具有恒压输出特性。取Lp=150uH，Ls=130 uH，Cp=17.7nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Iin=10A，f=100kHz时在不同Re下电流增益和输入相角随频率变化曲线如图10、11所示。可以看出，随着负载的增大，电流增益由单峰变为双峰。输入相角由单谐振点变为三个谐振点，谐振点处输入阻抗呈容性。

图10　电流增益

3.4　PS补偿拓扑

PP型补偿拓扑等效模型如图12所示。由诺顿等

效电路置换Re端口为电流源Isc并联导纳Yeq电路。

图11　输入相角

图12　PS型补偿拓扑等效模型

其中

(16)

(17)

输入阻抗Zin为：

(18)

当Cp与Lp谐振，Cs与Ls谐振时，即w2CpLp=1，w2CsLs=1，此时有

(19)

Yeq=0

(20)

等效电阻Re两端等效为并联电流源，系统具有恒流输出特性。取Lp=150uH，Ls=130 uH，Cp=16.89nF，Cs=19.48nF，M=30uH，Iin=10A，f=100kHz时在不同Re下电流增益和输入相角随频率变化曲线如图13、14所示。可以看出，随着负载的增大，电流增益由双峰变为单峰，谐振点处输入阻抗呈容性。

4　系统性能分析

通过以上分析，可以看出系统在四种基本补偿拓扑下，在工作频率下只有SS和SP补偿拓扑的输入阻抗呈阻性，无功小，可最大程度减小电源的伏安容量并保证输出的稳定可控。SP和PP可以实现恒压输出，但原边补偿电容Cp的取值与互感系数有关，适合线圈位置相对固定的场合。SS和PS补偿拓扑可实现输出电流不受负载影响，适合给蓄电池充电的场合。

5　结论

补偿拓扑作为无线电能传输系统的关键部分，对系统传输性能、传输效率以及系统抗干扰能力具有重要影响。本文利用统一的解耦模型，分析计算了四种基本补偿拓扑的输入输出特性，不同负载下增益曲线的变化和相角的变化，以及不同补偿拓扑的系统性能及应用场合，对深入研究无线电能传输机理和系统电路设计具有重要的理论意义和实用价值。

图14　输入相角

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