恒压输出多负载无线电能传输系统分析与设计

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-15 08:17 热度：

　　摘要：为解决谐振式多负载无线电能传输(wirelesspowertransfer，WPT)系统输出的负载敏感性问题，首先基于电路理论，研究恒压输出单负载WPT系统二端口网络在输出特性与负载无关时的电路参数关系，剖析了阻抗匹配网络的工作原理，由此构造出一种级联式负载无关性多负载WPT系统，并对该系统的传输性能作进一步分析;然后应用有限元分析软件确定DD线圈和屏蔽磁芯的最优尺寸;最终搭建一台恒压输出四负载WPT系统实验样机，验证了理论的正确性和系统的可行性。所提系统不含补偿电感、无磁饱和现象，阻抗匹配网络体积小、性价比高。

　　关键词：无线电能传输;多负载;恒压输出;DD线圈;负载无关性

　　引言

　　无线电能传输(wirelesspowertransfer，WPT)技术作为近二十年来电力变换领域的研究热点[1-3]，给人们的生产生活带来了极大便利。2007年，麻省理工学院的研究团队提出一种谐振式WPT技术，实现了电能在发射端与接收端无任何线缆接触下的高效传输[4]。此后，不少学者开始把研究焦点转移到谐振式多负载WPT技术[5-7]。然而，谐振式多负载WPT系统的输出具有负载敏感性问题[8,9]，对其应用造成不良影响，尤其在等效电阻变化较为明显的应用场合(例如电池)，需要额外增加通信电路和设计复杂的控制策略来实现所需充电效果[10,11]。

　　文献[12]采用一个立方体结构的亥姆霍兹线圈来产生空间均匀磁场，当充电设备放置在立方体内即可进行无线充电，这种方式可在一定程度上克服负载敏感性问题，但无法满足负载变化较大的场合。Zhang等人提出了一种可为LED供电的多负载WPT系统，其中采用LCC拓扑对发射侧进行补偿，而负载全部并联在接收侧[13];然而，这种方案无法满足负载需要隔离的场合。从控制的角度出发，Fu等人利用DC/DC变换器对负载阻抗进行控制，使系统工作在最优负载状态，从而实现系统效率最大化[14];同时，基于博弈论的控制策略，可实现多负载WPT系统输出功率的自动调节[15]。然而，文献[14]和[15]均未考虑不同接收线圈与平面发射线圈之间的距离变化。

　　在WPT系统中引入阻抗匹配网络(impedancematchingnetwork,IMN)，是解决负载敏感性问题的有效方法。对于单负载WPT系统，已有不少学者做了大量研究，他们在WPT系统的发射侧或接收侧引入必要的无源IMN，从而实现电压或电流的恒定输出[16-20]。本文从单负载WPT系统的角度，分别在发射侧和接收侧引入L型、T型或π型阻抗匹配网络，并基于二端口网络理论，在合理的假设前提下分析并推导恒压输出单负载WPT(constant-voltage-outputsingle-loadWPT,CS-WPT)系统的电路参数统一表达式;同时归纳出所有满足要求的补偿网络，并把其扩展到恒压输出多负载WPT(constant-voltage-outputmulti-loadWPT,CM-WPT)系统，随后分析所提多负载WPT系统的传输特性。此外，应用有限元分析软件设计出具有磁场解耦特性的传输线圈机构，由此构建一种各个负载功率均可独立调节的CM-WPT系统，最后搭建样机验证了理论的正确性和所提系统的可行性。

　　1恒压输出单负载WPT系统分析

　　在功率变换器中，通常将恒压输出列为重要的设计目标之一，传统的串联或并联谐振式WPT系统具有负载敏感性问题，一种可行的解决方案是在系统工作频率固定的情况下，在发射侧或接收侧添加无源IMN。该方案可在实现高效无线电能传输的同时，实现输出端的负载无关特性，最终输出恒定电压。无源补偿恒压输出的基本思路是通过无源IMN来调节二端口网络的戴维宁(Thevenin)等效电路输出阻抗为0。常见的无源IMN有L型、T型和π型，相比之下，后两者有三个可调节的元件，自由度更高，但前者只有两个元件，元件数量较少，因此它们各有优缺点。

　　2恒压输出多负载WPT系统设计

　　2.1级联式恒压输出多负载WPT系统构造

　　应用多个如图1所示的CS-WPT系统，通过级联的方式，且仅保留第一级输入侧的交流源为系统供电，其余各级的输入均直接与前一级负载两端的输出相接。由于每一级的输出特性与负载无关，当第i-1级的接收线圈与第i级的发射线圈之间的互感能够被忽略时，前一级和后一级只有电路联系，而没有磁场联系，因此每一级依然具备负载无关的输出特性。由此，可构造出一种CM-WPT系统。

　　在工作频率较高的情况下，线圈或补偿电感的趋肤效应和领近效应明显增强，从而产生更大的寄生内阻，加上补偿电感的磁芯损耗和可能发生的磁饱和现象，最终可能导致系统的电压损失较大、导线发热严重、系统效率低下和故障率提升。相比之下，补偿电容的高频寄生内阻较小，而且可以通过多个电容并联进一步得到优化，因此应该选择电感元件尽可能少的IMN。从表2可知，当IMN位于发射侧时，右L型IMN只有两个补偿电容，而无补偿电感;当位于接收侧时，左L型IMN同样无补偿电感。这两种IMN存在的缺点是其WPT系统的电压增益为固定值，但在实际应用中，电压增益一般可选择为1，进而简化设计，因而能够满足基本需求。如果电压增益必须大于或小于1，则对比表2不同匹配网络，可优先选择T型IMN，因为当其电压增益设计为负数时，CLC型IMN的补偿电感数量达到最少。

　　3线圈设计

　　3.1磁场解耦原理

　　图4(a)描述了一种被称为DD线圈的绕线方法[22]，该类线圈形状一般设计为方形以简化设计。当电流按照图示箭头的方向流过导线时，磁场通过线圈右半平面穿入，并从左半平面穿出，图中“Ä”和“”分别表示磁力线方向垂直平面线圈由外向内和由内向外。当两个DD线圈同方向放置时，磁场同时穿过它们的左半平面和右半平面，进而相互耦合。然而，当两者垂直方向放置时，其中一个线圈穿入和穿出另一个线圈的磁场几乎相等，所以两者之间呈现弱耦合甚至无耦合的特性，从而实现磁场解耦。根据这个原理，设计一种如图4(b)所示的解耦线圈机构，其中除了发射单元和接收单元采用单线圈结构，剩余所有中继单元均采用垂直放置的双线圈结构。该线圈的绕线方式会使其平均外径小于传统的单极方形平面螺旋线圈，导致其自感和线圈间互感相应减小。针对该问题，在所有单元中各嵌入一块方形铁氧体磁芯(型号为PC44)。所嵌入的磁芯不但改善了线圈间耦合，还对非相邻单元中同方向线圈之间的磁场形成屏蔽作用，加强解耦效果。

　　3.2有限元分析

　　实现线圈之间耦合系数的最大化是线圈设计的一项重要指标，应用有限元分析软件将极大降低线圈的设计成本。文献[23]中已详细介绍如何利用AnsoftMaxwell软件建立线圈的三维电磁仿真模型，从而得到不同线圈之间的互感、耦合系数以及各自自感。在高频条件下，趋肤效应和邻近效应会使得导线产生涡流损耗。1MHz以下工作频率的应用场合中，趋肤效应是造成涡流损耗的主要因素。

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　　采用多个DD线圈，按照图4(b)所示方式摆放，即可获得无磁芯的线圈机构;接着将铁氧体磁芯嵌入图4(b)所示的特定位置，即可搭建出带磁芯的解耦线圈机构。当从侧视角度观察时，这两种线圈机构的磁场分布仿真结果如图6所示，对比两图，可以发现磁芯对磁场的分布造成了极大影响。当线圈机构不含磁芯时，磁场较为分散地分布于每个线圈的两侧和线圈边缘，磁场分布范围较广，说明了该线圈机构产生的漏磁较多。然而，从右图可见，当将磁芯置于特定位置后，线圈无磁芯一侧磁场较小，磁场被主要约束于磁芯内，线圈机构的泄露磁场非常小，因而几乎不对周围环境造成电磁干扰。

　　4实验结果

　　实测表明，NP0或C0G材质的贴片电容的高频寄生内阻要远小于其它材质的贴片电容，并且电容值的精度更高，同时它们的价格在大规模国产化的背景下变得足够低廉，本次实验选用NP0或C0G材质的贴片电容作为补偿电容。所有DD线圈同轴放置，应用阻抗分析仪(型号为WayheKerr6500B)精确匹配补偿电容。选用寄生电容较小的MOSFET构成逆变器主电路，用数字信号处理器(型号为TMS320F28335)产生一个频率为200kHz的方波驱动信号，所搭建的恒压输出四负载WPT系统样机和具体的运行参数分别如图9和表4所示。图9展示了所设计的解耦线圈机构、发射端电路PCB正面和背面、数字控制电路等装置组成部分的细节，并实验波形由型号为RRTB2004的数字示波器进行捕捉。

　　图11描述了当所有负载电阻一致时，系统稳定工作后各个输出电压和传输效率与负载电阻的关系。图中实线和符号分别表示理论结果和实验结果。如图11所示，由于线圈内阻或功率器件产生损耗，因此负载两端输出电压相比于输入电压有一定衰减，且级数越高或输出功率越大，电压衰减越严重。从图11可以看出，当所有负载电阻同时从400Ω减少到50Ω，即总输出功率从7.2W增大到48.4W时，负载R1两端电压从27.0V下降到25.8V，电压变化率为4%;而R4两端电压从26.6V下降到23.8V，电压变化率达到10%。考虑到该系统电压增益为1，即空载情况下输出电压约为27V，所以在输出功率为48.4W时，R4两端的电压衰减率最大，达到11.9%。

　　系统的各个输出接上不同阻值的负载电阻，可进一步验证CM-WPT系统的输出特性。图12给出了不同负载条件下，各个输出电压和传输效率与负载R4的关系，其中R1，R2和R3分别为50Ω，150Ω和300Ω。当R4从400Ω减小到50Ω时，R4两端电压从26.0V下降到24.9V，电压衰减率最大，达到7.8%。结果表明，鉴于单个负载变化造成的输出功率变化范围有限，系统的各个输出对负载呈现出更低的敏感度。同时，各个负载的输出功率可独立调节，而几乎不对其余负载造成干扰。虽然输出功率较大时所提系统存在电压衰减，但随着导线材料的改善，该问题将得到有效解决。此外，图11和图12所描述的效率曲线表明，系统的传输效率随着输出功率的增大先上升后降低，并在某个输出功率值时达到峰值，说明该系统存在最优负载。根据实验结果，当系统的总输出功率为16W-36W时，传输效率均大于90%，而在最优负载处达到92.2%。

　　5结语

　　本文针对谐振式WPT系统存在的负载敏感性问题，分析并设计了一种各个输出均与负载无关的级联式CM-WPT系统。理论分析结果显示了L型、T型和π型匹配网络均能够在满足特定谐振条件下使得系统具有恒压输出的特性，其中L型匹配网络不含补偿电感，元件数量最少，而后两者均至少含有一个补偿电感。所设计的解耦线圈机构能够实现非期望耦合线圈之间的磁场解耦，满足设计需求。所提CM-WPT系统无需任何复杂的控制策略，依然能够给有电气隔离和功率独立调节等需求的多个负载供电。实验结果证明了理论分析的准确性显示了具有负载敏感度极低的特点且能够长期稳定运行，而且不含补偿电感、无磁饱和现象，同时获得高达92%的传输效率。——论文作者：孙淑彬，张波，肖文勋，丘东元，陈艳峰

文章名称：恒压输出多负载无线电能传输系统分析与设计

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