基于双边LCC拓扑结构的无线电能传输系统设计

王子俨

(国网吉林省电力公司，吉林 长春 130000)

无线电能传输，是指无需通过导线连接或者其他物理途径的接触，直接将电能转换成电磁波、光波、声波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术[1]，具有灵活、安全、可靠、传输效率高等优点[2-4]，在极端环境下有着独特的优势，因此在电动汽车[5-6]、移动电子设备[7]、智能家居、工业设备等诸多领域得到应用[8-11].2003年，Kurs等[12]提出了无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术，其系统的最高传输效率达到了90%以上，由于该技术传输效率高、传输距离远等优点，使其成为了多个研究团队的主要研究对象[13]；2015年，密歇根大学Li Sqi团队提出了双LCC补偿结构网络[14]，实现在不改变补偿元件参数的条件下，改变谐振频率，切换系统的工作模式以完成恒流或恒压输出[15-17].随着技术的不断发展与进步，在研究过程中通常会引入补偿网络来调节系统的谐振状态.文献[18].以串-串型补偿拓扑为例分析了系统谐振频率和初、次级互感值对无接触电能传输系统性能的影响；文献[19].通过引入对比实验，对串-串拓扑和双边 LCC 拓扑的传输性能进行分析，得到系统原边线圈的电流不会随着负载的变化而变化，同时能够保留串-串型拓扑结构的优点，但并未就参数完成拓扑结构的设计.

基于无线电能传输系统中拓扑结构选择的问题，本文对双边LCC进行了进一步的研究，分析了各谐振拓扑结构对系统传输性能的影响，最后完成了基于双边LCC拓扑结构的无线电能传输系统的设计.

1 无线电能传输系统

无线电能传输技术通过两个不直接接触电感的线圈，一个为发射线圈，另一个为接收线圈，依靠发射线圈和接受线圈同一自谐振频率共振的方法来进行能量转换，再经过补偿电路、整流电路、滤波电路等实现能量传输.无线电能传输系统的组成框图如图1所示.

图1 无线电能传输系统组成框图

谐振线圈部分由原边补偿拓扑结构、副边补偿拓扑结构和发射线圈、接收线圈共同组成.当系统线圈发生偏移时，主要影响系统传输性能的为谐振线圈部分的参数.

在无线电能传输系统中，大多传输线圈是由铜质线圈缠绕而成，发射线圈和接收线圈中两端都有连接补偿电容，补偿电容与线圈中的等效电阻通过串联形成原边等效阻抗和副边等效阻抗.主要针对系统中的阻抗参数展开分析，讨论各参数对系统的影响程度，来对各个参数进行选取和调节.

线圈的自感值计算式如下:

L=N2rμ0[ln(8r/g)-2]，

(1)

公式中：g=k(2a+2a×N)，a为所选线圈的线径；N为线圈匝数，其中k为常数；r为整个传输线圈的半径.

对传输线圈进行供电，线圈产生阻抗消耗能量，线圈的阻抗计算式如下:

(2)

公式中：μ0为真空磁导率；ω为工作角频率；l为传输线圈中所用材料的长度.

线圈中的分布电容计算式如下:

(3)

公式中：h为线圈高度；D为线圈直径；ε0为真空介电常数；εri为螺旋管内相对介电常数；εrx为螺旋管外相对介电常数.

通过观察并对比三式可发现，线圈自身参数均对线圈的自感、等效电阻以及分布电容有影响，主要影响因素为线圈的长度、尺寸和匝数等.因此对系统进行设计与优化之前要确定线圈的自身参数，从而可以有效地提高系统传输性能.

2 双边LCC拓扑结构分析

图2 双边LCC拓扑结构的电路图

双边LCC拓扑结构(Bilateral -LCC)，该系统在参数设计方面具有较高的参与度，对比传统的LCC、LCL等复合谐振拓扑结构，参数的调节更为直观.双边LCC拓扑结构的电路图如图2所示.

其中L1、C1、Ct为发射线圈的补偿电感和补偿电容；L2、C2、Cr为接收线圈的补偿电感和补偿电容；Lt、Lr为发射线圈和接收线圈的自感；Rt、Rr为发射线圈和接收线圈的等效电阻,Rs、Ro分别为电源的等效内阻和负载电阻，ULCC是交流电压源为系统提供一定幅值和频率的交流电压.

引用文献 [20].中的结论， 四种基本谐振拓扑结构中 SS拓扑结构拥有较好的传输性能.为了更综合的考虑D-LCC拓扑结构的传输性能，将D-LCC拓扑结构与SS拓扑结构进行对比分析，结果如图3所示.

图3 线圈偏移下D-LCC、SS拓扑结构的系统传输性能对比结果

输出功率在不同补偿电感作用下的大小如图3(a)所示，从图中可知当补偿电感值相等时，其输出功率与SS拓扑结构相同；但不同的补偿电感，在相同的偏移距离下所对应的输出功率大小不同.不同补偿电感对传输效率的影响如图3(b)所示，图中显示当D-LCC拓扑结构中补偿电感值选取一定范围值时系统的传输效率可优于SS拓扑结构.因此在无线电能传输系统中，选取D-LCC拓扑结构能够获得良好的传输性能.

3 系统设计

3.1 系统整体设计

无线电能传输系统的整体硬件思路如图4所示，系统的供电电源采用24 V，1 A的电源适配器，其中全桥逆变器将交流电转化为直流电，双边LCC拓扑结构中的补偿拓扑结构与发射线圈、接收线圈相连接，且发射线圈与接收线圈处于非接触的状态，接收端采用全波整流滤波器和π型滤波器，二者共同将拓扑结构输出的交流电转为供负载使用的直流电，最后输出端采用降压式Buck电路为系统输出降压稳压.

图4 系统整体框图

3.2 发射电路设计

发射端硬件电路设计的主要内容包括：驱动信号的产生、驱动电路以及全桥逆变器.其中驱动电路以及驱动信号的产生，都是为了全桥逆变器中的开关管提供触发信号.从而为发射线圈提供正常的交流信号和工作频率.

3.2.1 驱动电路设计

驱动电路的作用是将系统所需要的正弦脉宽波进行放大，使功率开关管和负载可以正常工作.全桥逆变器中有两个桥臂，且驱动这两个桥臂的信号需满足等大反向的条件，此时功率开关管才能正常工作，驱动电路原理图如图5所示.

图5 驱动电路设计原理图

3.2.2 逆变器电路设计

逆变器电路中最主要的部分就是功率开关管，目前较为常用的是半导体器件IGBT、MOSFET，这两种器件最主要区别在于IGBT适用于低频电路，MOSFET则适用于高频电路，与此同时MOSFET驱动简单，灵活性较好.针对本设计特点选取NMOS管IRF3205.该型号的器件采用了较先进的工艺设计，转换速度快，坚固耐用，具有较高的可靠性，同时具有极低的导通阻抗，这便大大降低了开关管的损耗.根据上述介绍对逆变器的硬件电路进行设计，其设计原理图如图6所示.

图6 单相全桥逆变器设计原理图

3.3 接收电路设计

无线电能传输系统接收端电路的设计主要围绕接收线圈的交流电信号进行，参数信号处理的硬件电路有整流滤波电路以及Buck电路.

3.3.1 整流滤波电路设计

全波整流电路的作用是将双极性的交流电转化为的单极性的直流电.如图7所示为本文的整流电路的设计原理图，因为交流电的正负极性，全波整流电路的工作分为两个周期，一个为正半周，另一个为负半周，当正向导通流入全波整流电路时，电流经过D1、D4，此时电路工作于正半周期，电压输出值与双边LCC拓扑结构的电压输出值ulcc保持一致.当负向导通流入全波整流电路时，电流经过D2、D3，此时电路工作与负半周期，电压输出值与D-LCC拓扑结构的电压输出值-ulcc保持一致.以上为全波整流电路的整个工作原理.

图7 整流滤波电路设计原理图

3.3.2 BUCK主电路设计

Buck电路(降压式变换电路)，主要控制系统的输出电压，对整流滤波电路后的直流电压进行降压处理.选取降压电路芯片MC34063，7号接口Ipk为取样端，用于观测电路的输出电流，当6号、7号引脚之间电压差大于300 mV时，就会触发内部过流保护，因此在设计过程中，选用较高精度的电阻R24与两接口相连.如图8所示为Buck电路的原理设计图.

图8 Buck电路设计原理图

4 系统实验与性能分析

通过Matlab软件对系统的传输功率及传输效率进行性能分析，分析结果如图9所示.

SS型拓扑结构下的系统当线圈移动时，系统的输出功率均会出现一个先增大后减小的现象，即频率分裂现象，且数值的变化很大.当横向偏移达到5 cm，纵向偏移为10 cm时，系统的输出功率几乎为零.对比本文所设计的D-LCC拓扑结构，当负载线圈移动时，系统的输出功率虽然会随着偏移程度的增加而降低，但变化的范围处于可接受的区间内，当横向偏移与纵向偏移小于5 cm时，负载端的接收功率可达到14 W左右，同时有效解决了系统功率在设备移动过程中出现的频率分裂问题.

图9 不同偏移情况下系统的输出功率对比

将两种拓扑结构下的系统的传输效率进行对比分析，结果如图10所示.随着传输距离的增加，系统的传输效率均呈现一个下降的趋势，但D-LCC拓扑结构下的传输效率在线圈移动过程中均高于SS拓扑结构，且当偏移距离大于5 cm时，由SS拓扑结构构成的系统的传输效率几乎为零，而本文所涉及的系统传输效率均高于60%，最高传输效率达到83%.

图10 不同偏移情况下系统的输出效率对比

5 结 论

本文设计了以D-LCC拓扑结构为基础的无线电能传输系统，通过仿真实验得出以如下结论：

(1)在无线电能传输系统中，当传输距离发生变化时，D-LCC拓扑结构相对于SS拓扑结构拥有较高的传输效率和传输功率，且具有较高的抗偏移能力.

(2)D-LCC拓扑结构下的系统具有较好的传输性能，其传输效率最高为 83%，且不低于60%，同时拥有较高的参数设计自由度.