复合储能负载的无线电能传输特性

叶 静，张建龙，张全鑫，姚宗亮，徐文强

(温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035)

目前储能技术中主要采用蓄电池等能量型储能元件，但由于蓄电池存在充放电时间较长，使用寿命短和价格比较昂贵等缺点，使得蓄电池的应用和推广受到了较大限制.超级电容器作为功率存储介质，具有充放电时间短、循环寿命长、充电放电效率高、功率密度高等亮点，正好与电池的性能互补[1-3].因此，通过电池和超级电容器的组合来复合储能[4]，可以减少储能系统的建设注资和运转资本.目前研究的无线电能传输系统，主要是针对以蓄电池为储能负载或者是将超级电容器作为储能负载的系统，而对基于电池和超级电容器组合的复合储能负载的无线电能量传输系统的研究相对较少[5-6].本文对基于复合储能负载的无线电能传输和接收两侧电路的阻抗及无线电能传输系统的电流、传输功率、输出功率、传输效率的拓扑结构等进行了深入研究，以期能为基于复合储能负载的无线电能传输系统的研究提供参考.

1 复合储能负载无线充电系统

基于复合储能负载的无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）系统结构，由无线电能发射侧电路和无线电能接收侧电路组成[7]（如图1 所示），其中发射侧电路将市电交流电压经整流滤波和Buck 变换转变为符合要求的稳定直流电，再经过高频逆变和谐振网络获取高频交流电流[8]，发射线圈发射高频交变磁场，接收侧电路的接收线圈和谐振网络诱发高频电动势[9]，复合储能负载所需的充电电压可以通过高频整流和DC-DC 变动得到.该复合储能负载也可为交流电机放电.

图1 复合储能负载的WPT 系统的结构图

复合储能负载的WPT 系统的电路拓扑如图2 所示.图2（a）为发射侧，其整流电路S1―S6和高频逆变电路SP1―SP2采用桥式全波电路，每个桥臂由全控开关组件IGBT 与反向并联二极管组成，谐振电路采用LCC 型补偿结构；接收侧（图2（b））采用LCC 型补偿结构[10]，高频整流电路采用的结构是二极管桥式，复合储能负载由Buck 型DC-DC 电路与蓄电池和超级电容器组成[11]，并通过控制开关KB、KC和Q1―Q4来控制它们的充放电模式.目前大多数无线电能传输系统的负载为直流无刷电机或交流电机，本文采用由逆变电路SS1―SS2、交流电机本体和控制开关KA构成的系统负载.端口AB 与端口CD 之间为系统的谐振网路电路，用于提高系统的传输功率和效率.

图2 复合储能负载的WPT 系统电路拓扑图

本文采用的双LCC 型网络等效电路如图3 所示.

图3 双LCC 谐振网络等效电路图

LCC 与发射线圈组成一次侧电路，LCC 与接收端组成二次侧回路[10-12].R1和R2为线圈L1P和L2内阻，线圈L2和L1S的内阻远小于反射阻抗Zr和负载等效电阻Re而省略.为逆变输出电压，负载等效电阻Re为Buck 变换及其后面负载RL的等效电阻.直流下电池负载可看作电阻，经过Buck 变换得到Re可看作电阻.一次侧电路输入阻抗Zin、二次侧电路输入阻抗ZS、二次侧反射到一次侧的阻抗Zr分别为：

由（1）式和（2）式可得双LCC 谐振网络的谐振条件：

结合谐振条件（4）―（6）式，一次侧回路输入阻抗Zin、二次侧回路输入阻抗ZS、反射阻抗Zr分别为：

（7）式和（8）式表明，在谐振条件（4）―（6）式下，系统两侧回路输入阻抗Zin和ZS均为阻性，原副边侧均实现单位功率因数，因此，系统传输功率和传输效率得到提高.

2 系统的传输特性

对于两侧回路，采用基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律分析可得：

结合谐振条件，由（10）―（13）式求得两侧线圈电流和输入输出电流分别为[13]：

（14）―（17）式表明，双LCC谐振网络回路电流大小与回路元件参数、复合储能负载等效电阻、输入电压、两线圈互感及工作频率等有关.在谐振网络一定时，电流大小取决于输入电压Uin和互感系数M，增大输入电压并实现两线圈对准，可以提高系统的充电电流.而在相位上，输出回路电流相位落后输入回路电流相位90°，接收线圈电流相位落后发射线圈电流相位90°.

系统的传输功率Pin、输出功率Pout和传输效率η分别为：

由（18）式和（19）式可知，双LCC型无线电能传输系统是基于复合储能负载的系统，传输功率与系统元件参数、复合储能负载等效电阻、输入电压、两线圈互感及工作频率等有关，通过增加输入电压和实现双线圈齐整，系统的传输功率和效率得到提升[14].

3 不同充电模式下系统传输特性定量数值计算

给定复合储能负载的无线电能传输系统，传输特性只由负载的等效电阻Re决定，而负载的等效电阻取决于充电模式，因此，复合储能的充电模式影响系统的传输特性.假定电池负载电阻为RLB，超级电容器负载电阻为RLC，交流电机负载电阻为RLA，DC和DB分别为超级电容器和电池的直流斩波器的驱动通断比，则各负载的等效电阻为，由整流桥、DC-DC 变换、电池、电容器和电机负载组成的复合负载等效电阻为：

其中“+”表示储能负载从系统吸收无线电能，即电池和电容器充电，“-”表示储能负载释放无线电能，即电池和电容器放电.通过定量的数值计算，可以看出不同充电模式对系统的传输特性的影响.数值计算中系统参量典型取值见表1，传输特性计算结果见表2.

表1 复合储能无线电能传输系统参量取值

表2 不同充电模式下系统的传输特性

表2表明，复合储能负载的充电模式不同，对应的等效电阻、回路电流、传输功率及传输效率也不同.负载等效电阻Re越大，Iin和I2越高，则回路的I1和输出回路的电流Iout越小，传输功率和负载输出功率越大，但传输效率越小.因此，可以通过增大负载来增大传输功率和负载输出功率，但不能提高系统的传输效率.

4 结 语

本文根据电池和超级电容器互补的特点，将电池和超级电容器组成的复合储能负载用于无线电能量传输系统的结构设计中，研究了双LCC 谐振补偿结构的复合储能负载无线电能传输系统在不同充电模式下的充电电流、传输功率和传输效率.结果表明，复合储能负载的充电模式不同，传输特性不同，对应的等效电阻、充电电流、传输功率及传输效率也不同，负载等效电阻越大，系统传输功率越大，负载输出功率随之也越大，而传输效率越小.