双面LCC补偿网络和无线电力传输的调优方法

摘要：本文提出双侧LCC补偿网络及其无线电能优化方法。利用所提拓扑结构及调谐方法,谐振频率与线圈耦合系数无关，不受负载条件影响。这意味着系统可在恒定开关频率下工作。频率分析用于体现该方法的相关特性。我们还提出一种调整网络方案用于实现一次侧开关的零电压开关。仿真及实验结果证实了分析结果正确性补偿网络和优化方案的有效性。构建了用于电动车辆的高达7.7kW输出功率的无线充电系统，从直流电源到负载电池的传送效率可达96%。

关键词：电池充电器，电流源，电动车，无线电源传输，零电压开关（ZVS）。

命名：

　　S1~4 初级侧场效应管。

　　D1~4 次级侧整流二极管。

　　L1 发射线圈的自感。

　　 初级侧补偿电感

　　L2 接收线圈的自感。

　　Lf2 二次侧补偿电感。

　　Ls1 发射线圈的漏感。

　　Ls2 接收线圈的漏感。

　　Lm 初级侧励磁电感。

　　 二次侧转换到一次侧补偿电感

　　Le1 初侧串联电容和漏感的等效电感。

　　Le2 ` 次级侧串联电容器和漏感折算到初级侧的转换等效电感

　　△Le2 二次侧串联电容和漏感的等效电感减少量。

　　Le2 次级侧串联电容和漏感折算到初级侧的等效电感减量。

　　C1 原边串联补偿电容。

　　 原边并联补偿电容。

　　C2 二次侧串联补偿电容。

　　 次级侧并联补偿电容。

　　 二次侧电容折算到一次侧的电容

　　 折算到初级侧的次级侧并联补偿电容。

　　△C2 次级侧串联补偿电容增量。

　　M 发射线圈和接收线圈之间的互感。

　　K 发射线圈和接收线圈之间的耦合系数。

　　N 发射线圈和接收线圈之间的等效匝数比。

　　 谐振角频率。

　　 在初级侧施加的一阶输入电压的相量。

　 第m级输入电压的相量。

　　Uab 整理前一次侧输出电压的向量。

　　Uab 整流器一阶输出电压有效值。

　　Uab _ min 整流器输出电压的最小有效值。

　　Uab 初级侧一阶输出电压的相量。

　　Uabm_th 校正器第m级输出相量。

　　 初级侧补偿电感L f1上的电流相量。

　　I1 发射线圈上的电流的相量。

　　I2 接收线圈上电流的相量。

　　I2` 接收线圈折算到初级侧上电流相量。

　　 次级侧补偿电感Lf2上的电流的相量。

　 Lf2上的电流折算到初级侧的电流向量。

　　ILf1AB 只加电压Uab时，Lf1上的电流向量。

　　I1AB 仅加U AB时，发射线圈上的电流的相量

　　I2AB` Uab只加在初级侧时接收线圈上电流的相量。

　　 当U AB只加在初级侧时，L f 2上的电流的相量。

　　I1ab 只加Uab发射线圈上的电流相量。

　　I2ab` UAB只加在初级侧，接收线圈上的电流的相量

　　ILf2ab 加Uab时，Lf2上的电流向量。

　　ILfm1_ th 在L f1上的第m阶电流的相量。

　　 只加uab时，LF1第一阶电流的相量。

　　 场效应管上的第m阶电流的相量。

　 场效应管的关断电流。

　　 场效应管的最小关断电流。

uab超前UAB的相角。

　　 超前UAB的相角。

　　Uin 直流输入电压。

　　Ub 电源电压

　　2013年12月16日收到手稿; 修订于2014年5月10日和7月1日;2014年7月30日。这项工作部分由美国部支持能源研究生汽车技术教育; 美中清洁能源研究中心 - 清洁车联盟，DENSO国际，密歇根大学和中国奖学金理事会共同资助。

　　作者：迪尔伯恩.美国.密歇根大学.电气工程和计算机系，MI 48128（电子邮件：lisiqi00@gmail.com; weihanli1988@gmail.com; dengjunjun1985@gmail.com;ntrduy@gmail.com; chrismi@umich.edu）。S. Li.中国.昆明理工大学.电气工程系，650500。 W.李.中国.合肥工业大学.机械与汽车工程系，230009。 J.Deng.中国.西北工业大学.电气工程系，710072。

1.引言

　　Nikola Tesla在100多年前提出使用磁共振概念的HE无线电力传输（WPT）。 近来，随着电力电子技术的发展，WPT系统的商业价值被挖掘。如WiTricity，Evatran，Qualcomm等已公司开发了一些产品，通过一定的气隙使电能传输具有可接受的功率水平和效率。 许多新的研究工作，如2米60瓦功率传输[1]，各种分析控制方法[2] - [5]和引导功率传输路径已出发表。

　　在WPT系统中，能量通过发射线圈和接收线圈的互感传递，而漏电感对有功功率传输没有直接影响。由于发射线圈和接收线圈之间的大间隙，两个线圈之间的耦合系数小，通常在5％至30％的范围内，这取决于线圈的距离，对准程度和尺寸。 这使得WPT系统具有大的漏电感，但是具有小的互感。 为了增加耦合，线圈设计及其重要[8]。 同时，用于消除漏电感的补偿电路也非常重要。 通常，添加可以集总或寄生的电容器以形成谐振电路，这被称为磁谐振方法。

　　已经提出不同的补偿拓扑以在宽范围的应用中实现两个线圈在谐振频率下调谐工作。根据如何将补偿电容器添加到发射和接收线圈，即串联系列（SS），串并联（SP），并联系列（PS）和并行 - 并联（PP）拓扑[9]，[10]。在文献中还提出了一些其它新颖的拓扑。在[11]中，通过在并联补偿和串联补偿的次级侧之间切换实现双拓扑，以实现恒定电流模式和恒定电压模式。此外，发射和接收线圈需要连接到功率电子转换器。为了实现完整的WPT系统的高效率，已经提出了一些其它优越的拓扑。在[12]中，通过在转换器和发射线圈之间添加LC补偿网络来形成LCL转换器。当系统工作在谐振频率时，LCL转换器有两个优点。首先，逆变器只提供负载所需的有功功率;第二，初级侧线圈中的电流独立于负载条件。在[13]中，提出了用于双向功率传输的在主侧和次级侧的LC补偿网络。 LCL转换器的设计通常需要两个电感器具有相同的值。为了减小额外的电感器尺寸和成本，通常将电容器与初级侧线圈串联，这形成LCC补偿网络。 通过利用LCC补偿网络，可以通过调整补偿网络参数来实现零电流开关（ZCS）条件[14]。 此外，当在次级侧采用LCC补偿网络时，可以补偿次级侧的无功功率以形成单位功率因数[15]。

　　WPT系统的独特性之一是线圈的高空间自由度。 这意味着发射和接收线圈的气隙变化和不对准是不可避免的。 通常，当耦合条件改变时，一次和二次谐振槽的系统参数和谐振频率改变[16]。 采用传统的补偿拓扑结构，为了实现高效率，需要调谐方法以在气隙变化或发生未对准时保持谐振。有两种主要的方法，即频率控制[17]，[18]和阻抗匹配[19]，[20]。在[18]中，研究了WPT系统的频率特性，并提出了一种自动调谐工作频率以保持最佳效率的方法。锁相环技术能够调谐工作频率以跟踪由于间隙长度的变化引起调谐部件的不对准和公差变化而变化的谐振频率[17]。 [20]采用了阻抗匹配。在SS结构中增加了调谐电路，以通过改变谐振频率以匹配工作频率来提高效率。类似地，在[19]中设计了自动阻抗匹配系统。在[21]中，介绍了调整主箱的两种方法：主电容和电感。对于SS结构，当电容器用线圈自感调谐时，可以实现完全谐振特性[10]，[22]。在这种情况下，谐振频率与负载和耦合条件无关。然而，对于SS补偿，初级线圈电流随耦合系数和负载条件而变化。具有恒定的初级线圈电流有几个好处。当设计线圈时，确定线圈的额定电流。恒流特性可以使线圈轻松工作在额定条件下。对于在动态道路充电中在初级侧的轨道形式线圈，可以为多个接收线圈供电，这也优选在轨道中的恒定电流。此外，功率与初级线圈电流，耦合和负载条件相关。当线圈电流不是耦合和负载的函数时，可以简化功率的控制。为了保持恒定的初级线圈电流，通常采用附加的相移或占空比控制来调节线圈电流，这增加了控制复杂性，逆变器中的循环能量以及失去软开关条件的风险。

　　补偿网络和相应的控制方法是无线充电系统设计中最重要和困难的方面。在本文中，补偿网是络设计的重点。本文提出了一种双侧LCC补偿拓扑及其参数设计。拓扑结构包括在主侧和次级侧的一个电感器和两个电容器。使用所提出的方法，补偿线圈的谐振频率与耦合系数和负载条件无关。无线电力传输系统可以在恒定频率下工作，这简化了控制并且缩小了频率带宽的占用。在耦合和负载条件的整个范围中，可以为初级侧和次级侧转换器实现几乎单位的功率因数，因此容易实现整个WPT系统的高效率。还提出并分析了一种参数调谐方法，以实现基于MOSFET的逆变器的ZVS操作。所提出的方法在耦合系数保持变化的环境中更具吸引力，如同电动车辆充电应用。此外，由于其对称结构，所提出的方法可以用在双向WPT系统中。仿真和实验结果验证了所提出的补偿网络和调谐方法的分析和有效性。构建了用于电动车辆的具有7.7kW输出功率的原型，并且实现了从直流电源到电池负载的96％的效率。

　　双面LCC补偿网络以及理论分析在第二部分中给出。实现ZVS的调谐方法在第三节中讨论。所提出的拓扑的设计方法在第四节中介绍。实验，模拟和理论结果在第五节进行比较。结论总结在第六节。

图1用于无线电源传输的双侧LCC补偿拓扑

2.建议的形态和分析

　　所提出的双面LCC补偿网络和相应的功率电子电路元件如图1所示。 S1〜S 4是初级侧的四个功率MOSFET。 D1〜D4是次级侧整流二极管。 L1和L2分别是发射和接收线圈的自感。 Lf1，Cf1和C1是初级侧补偿电感和电容。 Lf2，Cf2和C2是次级侧补偿分量。 M是两个线圈之间的互感。 这里uAB是施加在补偿线圈上的输入电压，uab是在补偿线圈之前的输出电压整流二极管。 i1，i2，iLf1，iLf2分别是L1，L2，Lf1和Lf2上的电流。 在下面的分析中，UAB，Uab，I1，I2，ILf1，被用来表示相量的形式相应变量。

图2 基于提出的拓扑电路折算到初级侧的等效电路

　　对于第一步，通过分析开关频率处方波电压波形的一阶谐波，给出所提出的补偿网络的简明特性。 为了简化分析，忽略所有电感器和电容器上的电阻。 近似的精度将通过电路仿真和后面的实验来验证。折算到初级侧的等效电路如图2所示。 撇号表示次级侧反应到初级侧的变量。 我们定义次级到初级侧的匝数比为

　　图2中的变量可由下式表示：

　

　　其中Lm为反应初级侧的励磁电感。 在后面的等式中出现的撇号符号表示参考初级侧的转换值。对于图3中的高阶系统。 如图1所示，存在多个谐振频率。 在本文中，我们不关注整体频域特性。 仅研究了可调谐到恒定谐振频率的一个频率点。 这里，谐振意味着输入电压和补偿线圈系统的电流同相。 电路的参数通过以下等式设计，以实现拓扑的恒定谐振频率。

图3谐振频率下的电路状态

　　其中omega;0是角恒定谐振频率，其仅与系统中的电感器和电容器相关，独立于耦合系数k和负载条件。 根据上述规则，电路特性会有分析共振频率omega;0。 根据叠加理论，UAB和Uab的效果可以分别分析，

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