轨道交通无线电能传输效率研究

乐文韬，吕 卓，刘华东

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

轨道交通要求具有高安全性、高平顺性、高稳定性、高可靠性及高精确度等特点。要确保“五高”的实现，要点之一是处理好受电弓与接触网之间的关系，解决高速运行过程中的受流问题。列车在高速运行状态下，弓网关系会受到摩擦、离线、振动、打弧和环境恶劣等多方面挑战；而无线电能传输的供电方式，其弓网间允许存在数十厘米的工作间隙，可以从根本上避免由于受电弓滑板在接触网导线上滑动取电而造成的材料磨损问题，即使在覆冰、大风等恶劣天气下，依然能够稳定、可靠地供电。鉴于无线电能传输技术的诸多优点，其已成为轨道交通领域近年来国内外科研机构和企业的研究热点[1-2]。

国外对无线电能传输技术在轨道交通中的应用研究起步较早。2009 年，德国在试验线上完成了对TR09 型磁浮列车无线供电装置的测试，在40 mm 弓网间隙下可传输的电能功率为150 kW，系统运行频率为20 kHz[3]。2013 年，加拿大庞巴迪公司旗下的PRIMOVE 品牌推出了针对有轨电车的无线电能传输技术解决方案，其输出功率可达100～250 kW，最高效率可达92%[4]。2014 年，韩国科学技术学院和韩国铁路研究院研究人员将无线电能传输功率等级提升至800 kW，空气间隙5 cm，传输效率可达82.7%。国内这方面的研究起步稍晚，天津工业大学杨庆新教授研究团队[5]、中科院电工所史黎明教授团队[6]、西南交通大学麦瑞坤团队[7]都对无线供电系统的建模与设计、级联型大功率谐振逆变器、动态调谐方法等理论方面进行了大量的研究工作。

目前国内关于无线电能传输的研究大多集中在手机、电动汽车[8-10]等中小功率应用上，在轨道交通等需要大功率无线电能传输的应用方面鲜有人涉足。本文针对大功率无线电能传输所面临的低效率、高辐射等问题，提出了一种多线圈耦合的LCL-S 拓扑，通过谐振电路设计，实现发射端高频逆变器的零电压开通，能够减小系统损耗，提高系统效率；其次，在电磁耦合机构优化设计上，提出一种8 字形线圈结构，以减少耦合机构漏磁通，有效降低无线电能传输系统对外辐射干扰，从而提高系统对外的安全性。最后，针对所提方法，搭建了150 kW 双线圈耦合的样机进行相关实验验证。

1 多线圈耦合的LCL-S 拓扑分析及软开关技术

1.1 LCL-S 拓扑分析

在轨道交通供电应用中，无线供电电源的主要作用是给车辆提供稳定的直流母线。对于无线电能传输系统的LCL-S 型补偿电路拓扑[11-12]，通过选择合适的电路参数，可以实现输出直流电压不随负载变动而变化，适用于轨道交通应用。忽略线圈内阻，LCL-S 型电路拓扑如图1 所示。图中，LR为一次侧前置串联电感器，CP为一次侧并联电容器，LP为一次侧线圈自感，LS为二次侧线圈自感，CS为二次侧串联电容器，M为一次侧、二次侧线圈间的互感，RL为负载，Uin为系统输入电压。

LCL-S 型补偿拓扑结构的等效电路如图2 所示。图中，jωMIp为二次侧感应电压，Iin为系统输入电流，Ip为一次侧线圈电流。

图2 LCL-S 型拓扑等效电路Fig. 2 Equivalent circuits of LCL-S topology

由式（1）、式（2）及式（5）可知，二次侧电路折算到一次侧的反映阻抗为

由式（6）可知，在谐振状态下，Zr表现为纯阻性，此时系统中LR和CP的设置如下：

结合式（3）、式（6）～式（8）可得到谐振状态下系统的输入阻抗：

通过式（9）可知，系统呈现纯阻性，实现了单位功率因数输入。

另外，结合式（4）、式（5）、式（7）和式（8），分别得到系统一次侧电流IP和二次侧输出电压Uo：

由式（10）和式（11）可知，在系统处于谐振的工况下，一次侧输入电流只与Uin有关，当输入电压不变时，一次侧输入电流保持恒定，这样能保证系统的发射端时刻工作在最大激磁状态下；系统输出电压只受电路输入电压和松耦合变压器互感的影响，当输入电压及变压器互感不变时，输出电压保持不变。

1.2 多接收线圈效率提升分析

受车体空间的限制，接收线圈尺寸结构会远小于发射线圈的，导致系统互感偏小，能量传输效率及功率低下。为提升系统的传输效率，提高系统的输出功率，同时也为减小单接收线圈在大功率传输过程中过高的温升，在轨道交通应用中，无线电能传输系统一般采用多接收线圈的耦合结构[13]。

LCL-S 型单接收线圈的电路拓扑如图3 所示。图中，R1和R2分别为一次侧线圈和二次侧线圈的内阻。

图3 单接收线圈电路Fig. 3 Single receiving coil circuit

由式（11）可得系统输出功率：

由式（2）和式（3）可得

结合式（12）和式（13），可以得到单接收线圈的耦合机构系统效率：

通 常， 线 圈 内 阻 远 小 于 等 效 负 载RL， 且ω2M2>>RL，因此可以认为

图4 多接收线圈电路与单接收线圈电路之间的关系Fig. 4 Relationship between multiple-receiving-ciol circuit and single receiving coil circuit

多接收线圈的效率η′为

结合式（15）和式（16）可知，多线圈耦合机构的效率要高于单线圈耦合机构的。实际应用中，选取接收线圈数量时还需要综合考虑变流器利用率、装置成本及系统控制的复杂度等因素。

1.3 SiC 全桥逆变器软开关设计

对于无线电能传输系统，由于耦合机构一次侧、二次侧分离，其耦合系数仅在0.1～0.5 之间，远小于传统变压器的耦合系数。为提升系统的能量传输能力，提高系统工作频率是十分必要的，但是这会急剧增加逆变器的开关损耗，而软开关技术能够有效降低开关损耗。

为实现高频逆变器零电压开通，整个系统应呈弱感性，即逆变器输出电压超前输出电流；同时为了确保LCL-S 电路拓扑一次侧线圈恒流、二次侧输出恒压的特性，由1.1 节可知，应保证前置串联电感与一次侧并联电容，二次侧线圈与二次侧串联电容在工作频率下分别处于谐振状态。因此当一次侧线圈电感、二次侧线圈电感、前置串联电感、一次侧并联电容及二次侧串联电容大小恒定时，可在一次侧线路中在串入电容器CLT，通过调节其容值来改变系统整体阻抗特性，使得逆变器处于软开关状态，并且使得系统功率因数接近于1，从而提高有功功率输出。当二次侧处于完全谐振状态时，二次侧等效到一次侧的阻抗呈纯阻性，此时系统一次侧等效电路如图5 所示。

图5 系统一次侧等效电路Fig. 5 Equivalent circuit of the primary side of the system

此时，逆变器输出电流与输出电压之间的比值为

当前置串联电感器与并联电容器处于谐振状态时，式（17）可被化简为

设逆变器输出电流滞后输出电压的角度为θ，则

由式（19）可以看出，当LR，LP和R都恒定时，可以通过调节CLT的容值来改变输入电流滞后输入电压的角度，从而改变逆变器的关断电流。关断电流ioff与开关管并联结电容充放电时间T1与二极管续流时间Tc关系如下：

式中：Coss——结电容；ΔU——结电容充放电阶段端电压变化值；Ipk——逆变器输出电流峰值。

综上可知，通过改变CLT容值，可以改变开关管并联结电容充放电时间及二极管续流时间，进而改变逆变器开关状态，不仅使得逆变器实现零电压开通，同时能够合理控制系统功率因数，提高系统功率输出。

2 8 字形耦合线圈设计

在大功率轨道交通应用中，耦合线圈的漏磁大小、抗偏移能力等性能是被关注的重点。目前最常用的耦合线圈为圆形线圈[14-15]，其结构简单，耦合系数相对较高；但是漏磁场相对较大，抗偏移能力差。为提升耦合机构的抗偏移能力以及降低漏磁场水平，提出了一种8 字形线圈结构（图6）。

图6 两种耦合线圈结构Fig. 6 Two kinds of coupling coil structures

利用Maxwell 有限元仿真软件对两种线圈分别进行建模分析，对比两种线圈的相关性能。两种线圈的结构参数如表1 所示。

表1 两种线圈结构参数Tab. 1 Structure parameters of the two kinds of coupling coils

2.1 耦合系数

基于表1 所示参数，经Maxwell 仿真得到两种线圈电感参数，具体如表2 所示。可以看出，圆形线圈的互感大于8 字形线圈的，而自感小于8 字形线圈的。因此在相同面积、相同线圈匝数的情况下，圆形线圈的耦合性能要优于8 字形线圈的。

表2 两种线圈电感仿真结果Tab. 2 Simulated indutance results of the two kinds of coils

2.2 漏磁

在相同线圈电流工况下，经仿真得到的两种耦合线圈磁感应强度分布如图7 所示。可以看出，圆形线圈的磁场分布比较分散，漏磁比较大；而8 字形线圈的磁场分布相对来说比较集中，大部分集中在中间部分，整个线圈的两侧几乎不会向外散发漏磁，漏磁明显小于圆形线圈的。

图7 两种线圈周围的磁感应强度Fig. 7 Magnetic induction intensity around the two kinds of coils

2.3 抗偏移能力

耦合线圈偏移包含水平和垂直两个方向上的偏移。在水平方向上，由于圆形线圈的方向具有一致性，其水平偏移只需要考虑一次侧、二次侧线圈的圆心偏移。对于8 字形线圈来说，存在水平纵向偏移和水平横向偏移（图8）。

图8 8 字形线圈水平偏移的两种形式Fig. 8 Two forms of horizontal offset of figure 8-shaped coil

对圆形线圈的水平偏移以及8 字形的水平纵向偏移和水平横向偏移分别进行仿真分析，仿真结果如图9 所示。可以看出，8 字形线圈做横向偏移时互感变化最快，当偏移距离达到180 mm 时，互感降为0；圆形线圈水平偏移时，互感变化速度处于8 字形线圈两种形式偏移之间，当偏移距离达到360 mm 时，互感减小为0；8 字形线圈纵向偏移的互感变化程度最小，抗偏移能力最强。

图9 两种线圈的互感随水平偏移变化曲线Fig. 9 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with horizontal offset

两种耦合线圈在不同垂直距离下，互感量的变化如图10 所示。由曲线数据可知，在5～15 cm 的垂直距离区间内，8 字形耦合线圈的互感变化相对于圆形线圈来说更大。圆形线圈对垂直距离上的变化更不敏感。

图10 两种线圈的互感随垂直距离变化曲线Fig. 10 Mutual inductances of the two kinds of coils varying with vertical distance

综上分析可得，圆形线圈的耦合系数要大于8 字形线圈的；但在抗偏移及漏磁方面，8 字形线圈明显要优于圆形线圈，更适合轨道交通的应用场景。

3 实验验证

为验证系统LCL-S 主电路拓扑的恒压特性、SiC 逆变器软开关技术设计方法的正确性以及8 字形线圈在对外磁辐射方面的优越性，搭建了150 kW 无线电能传输原理样机（图11）。该样机的高频逆变器采用基于1 700 V/300 A SiC MOS 开关管的全桥结构，高频整流器采用SiC SBD（肖特基二极管）整流结构，线圈采用1 对2 结构（1 个发射线圈，2 个接收线圈）。具体电路拓扑如图12 所示，各参数符号及其数值大小如表3所示，耦合机构电感参数如表4 所示。

图11 150 kW 原理样机Fig. 11 150 kW principle prototype

图12 耦合机构一次侧/二次侧电路各元件参数Fig. 12 Parameters of each element in the primary/secondary side circuit of the coupling mechanism

表4 耦合机构电感Tab. 4 Inductances of the coupling mechanism

3.1 软开关实验

为验证本文所提软开关设计方法的有效性，进行软开关实验。根据器件手册可知，在Uin=400 V 的工况下，下降沿脉冲驱动延时Tdoff=640 ns，器件响应延时Tdelay=323 ns，上升沿脉冲驱动延时Tdon=387 ns。为使系统呈弱感性，选择一次侧串联电容器容值为150 nF，计算得到T1=178.5 s，Tc=561.7 s。选择死区时间为1 μs，在该工况下得到逆变器开关管实验波形如图13 所示。

图13 软开关实验波形Fig. 13 Experimental waveforms of soft switch

由图13 可知，上管结电容放电完成之后，下管驱动脉冲到来，高频逆变器实现零电压开通。说明当LR，LP和R都恒定时，可以通过调节CLT的容值来改变逆变器的关断电流，从而使得逆变器实现零电压开通。

3.2 系统恒压输出实验

在直流电源电压恒定的情况下，负载分别选择5Ω, 10Ω, 15Ω 和20Ω，实验数据如表5 所示。可以看出，输出电压在小范围内波动，故可认为负载大小对输出电压没有影响，即系统保持恒压特性。

表5 恒压特性实验结果Tab. 5 Experimental results of the system with constant voltage characteristics

在150 kW 样机耦合机构气隙为5 cm，电阻为5 Ω，开关频率为50 kHz 输入电压的工况下，系统输入功率达到150 kW，系统电压及电流如表6 所示。

表6 150 kW 样机功率实验结果Tab. 6 Power test results of the 150 kW prototype

利用示波器记录逆变器输出电压、输出电流、一次侧线圈电流以及二次侧线圈电流波形如图14 所示。可以看出，两组二次侧电流与逆变器输出电流的相位完全一致，且两组二次侧电流大小几乎相等，它们之和约等于逆变器输出电流。

图14 150 kW 样机功率实验波形Fig. 14 Power test waveforms of the 150 kW prototype

3.3 电磁辐射测量对比实验

针对第2 节所提出的8 字形线圈比圆形线圈具有更优越的对外磁辐射特性，搭建圆形线圈结构无线电能传输样机，在相同输入电压等级下，测量两种线圈的对外磁辐射。圆形线圈绕制方式如图15 所示，样机电感参数如表7 所示。

图15 两种线圈绕制方式Fig. 15 Two methods of coil winding

表7 圆形线圈样机电感参数Tab. 7 Inductances of circular coil prototype

150 kW 原理样机和圆形线圈样机对比实验工况为：输入电压550～600 V，负载7.5 Ω，运行频率50 kHz，输入功率40～45 kW。在实验过程中，用手持式电磁场测试仪检测两个样机的电磁辐射情况，测量结果如表8 所示。可以看出，随着测量距离的增加，电磁辐射逐渐减少；并且在不同高度、不同长度下，8 字形线圈的漏磁都要小于圆形线圈的。

表8 两样机电磁辐射测量结果Tab. 8 Electromagnetic radiation measurement results of the two prototypes

4 结语

本文针对轨道交通无线电能传输技术应用时存在的传输功率大、系统损耗高、对外辐射强问题，提出了一种多线圈耦合LCL-S 电路拓扑以及8 字形线圈优化结构，并经过分析得出以下结论：

（1）LCL-S 电路拓扑能够提供稳定的直流母线电压，适合轨道交通应用。在考虑性价比和控制复杂度的情况下，通过适当增加接收线圈个数，能够进一步提高系统效率；

（2）软开关技术的实现，不仅能够减小开关器件的损耗，还能避免线路的高频振荡；

（3）在轨道交通应用中，8 字形线圈设计能够减小钢轨间的漏磁通分布，有效减少系统对外电磁辐射。

目前，国内外对于无线电能传输技术的研究还处于不断发展和完善的阶段，尤其在动态供电方面，如何提高动态供电的系统效率、减小系统对外磁辐射、提升系统稳定性这些问题都亟待解决，高效抗偏移耦合机构的设计、供电导轨模式及分段投切技术、系统多参数动态调谐等技术还需要更深入的研究，这也是我们下一步的研究方向。