基于动态调谐实现感应耦合无线电能传输系统的最大功率传输_强浩

基于动态调谐实现感应耦合无线电能传输系统的最大功率传输

强浩①②, 黄学良①*, 谭林林①, 吉青晶①, 赵家明①

① 东南大学电气工程学院, 南京 210096; ② 常州大学信息科学与工程学院, 常州 213164 * E-mail: xlhuang@http://doc.guandang.net

收稿日期: 2011-07-22; 接受日期: 2012-03-12

国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号: 2012AA050210)、国家自然科学基金(批准号: 51177011)、江苏省普通高校研究生科研创新计划(批准号: CXZZ11_0150)和教育部博士研究生学术新人奖资助项目

摘要 感应耦合无线电能传输技术(ICWPT)是一个崭新的研究领域, 近年来受到了广泛关注. 本文主要研究了其四种基本拓扑结构(SS, SP, PS和PP)的最大能量传输特性. 通过建立高频下四种拓扑结构的等效电路并推导出最大能量传输下初级回路谐振补偿电容的表达式, 发现SP, PS和PP三种拓扑结构中该谐振补偿电容均随负载电阻的变化而变化, 这一弊端不利于该三种拓扑结构的实际应用. 为此本文又设计了一种相控电感电路, 通过触发角的调节可以实现实时动态调谐控制, 保证系统最大能量的传输. 最后仿真和实验结果表明了上述方法是有效、可靠的, 解决了谐振补偿电容随负载变化的问题, 为各种拓扑结构的灵活应用提供了有效的保障.

关键词 动态调谐 感应耦合 拓扑结构 无线能量传输

传统的电能传输主要是由导线直接接触进行传输的, 电源与负载之间必须要有直接的物理连接. 自从特斯拉开辟了无线输电领域的研究之后[1], 电能的无线传输一直是人类的梦想, 多年来国外一些科学家执着地开展着这项研究[2~8], 但进展甚微. 直到2007 年, MIT 的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展, 他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输, 在2 m外将一个60 W的灯泡点亮, 且传输效率达到40%左右[9].

电能的无线传输技术主要有感应耦合和谐振耦合两种方式, 该两种方式都是借助于交变磁场将能量从发射线圈传递到接收线圈.

无线电能传输技术的提出, 迅速成为这几年各大研究机构竞相追逐的热点[10~15], 并相继在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式移动设备充电中取得了一定的突破[16, 17]. 为了进一步提高功率传输的效率, 可改变共振器线圈的相关参数[18, 19], 如增加导体的半径, 采用多匝导线线圈等方法; 也有不少学者对谐振拓扑结构进行了研究, 希望通过设计不同的补偿拓扑获得最大的传输效率. 文献[20]进行了感应耦合方式下各种拓扑结构的等效电路和能量传输能力的分析, 由于工作频率较低, 忽略了高频下线圈的寄生参数, 模型不是很精确; 文献[21]研究了各种拓扑结构的电压和电流增益, 但缺少进行对系统

达到最大能量传输条件的分析; 文献[22]研究并定义了一个选择采用何种拓扑结构获得最大传输能力的条件判据, 结果表明拓扑结构的选择与负载、工作频率和线圈尺寸等参数都是相关的, 针对不同的情况采用不同的拓扑结构可以获得最大的传输效率.

本文考虑高频情况下产生的寄生电阻和电容, 建立各种拓扑结构更为精确的等效电路模型, 通过分析最大传输能力计算出初级谐振补偿电容, 结果表明除了SS拓扑结构外, 其余3种拓扑结构的补偿电容都是负载电阻的函数, 也就是说补偿电容不是一个定值, 将会随负载发生变化. 事实上, 作为一种电源系统, 其负载往往具有很大的随机性, 这就不能保证最大传输功率和系统的稳定工作, 这一弊端也将影响其余3种拓扑结构的实际应用. 为此本文又进一步设计了一种相控电感电路, 通过合理选择相控电感电路的参数和调节相应的触发角, 可以有效控制各种拓扑结构, 实现动态实时调谐, 保证系统的最大能量传输和工作的稳定性.

本文通过理论分析和仿真实验结合的方法, 对感应耦合无线电能传输系统不同拓扑结构的最大能量传输性能进行了分析, 设计相控电感电路进行有效的实时动态调谐控制, 为各种拓扑结构的灵活应用提供了良好的保障, 同时也为下一步设计无线能量传输装置奠定了基础. 本文第1节主要采用等效电路的方法建立高频下感应耦合无线电能传输系统模型. 第2节分析了4种基本谐振补偿拓扑结构的电能传输性能, 并推导出了初级谐振补偿电容的表达式. 第3节设计了一种相控电感电路, 并在第4节中分别对SP, PS和PP补偿拓扑结构进行动态调谐控制. 第5节的仿真和实验结果很好的验证了理论分析, 说明本文提出的方法是有效可靠的.

产生高频功率源; LP, LS(下标P和S分别表示初级线圈和次级线圈)分别是进行隔空传递能量的两空心线圈; RL为负载电阻; M 和D为两线圈之间的互感和距离. 当两线圈发生谐振并一致时, 线圈LS能最大效率地感应到LP传输过来的能量并给负载RL供电, 从而完成整个能量的无线传输.

为简化分析, 本文仅对两收发线圈LP, LS进行等效分析. 假设系统的输入电压为正弦电压, 角频率为 , 利用标准的互感耦合传输模型, 在次级线圈中由于初级线圈电流感应产生的感应电动势为j MIP; 而在初级线圈中由于次级线圈电流感应产生的感应电动势为 j MIS. 图2为无线电能传输系统的等效耦合电路.

2 谐振补偿拓扑结构性能分析

通常为了提高功率传输的效率, 可以对初级回路和次级回路进行串联或并联补偿. 4种基本的谐振补偿结构为SS, SP, PS和PP, 这里前一个S或P表示初级线圈进行串联或并联谐振补偿, 后一个S或P表示次级线圈进行串联或并联谐振补偿. 具体拓扑结构电路如图3所示.

考虑到系统工作在高频模式下, 产生的寄生电阻、电容不可忽略. 图3中Uin表示前级感应电压源; 线圈LP和LS高频下寄生电阻为RP和RS, 寄生电容包含在CP和CS中; RL为负载电阻.

图1 无线电能传输装置图

1 感应耦合无线电能传输系统模型

本文主要通过建立系统的物理模型, 构建内部等效参数来进行理论分析. 图1是一个典型的感应耦合无线电能传输结构, 它由独立的两个部分组成, 分别连接到电源和负载(后文中将和电源连接的独立部分称为初级回路, 和负载连接的部分称为次级回路).

一个完整的感应耦合无线电能传输系统, 除两个传输能量的线圈外, 还必须有发射功率源和接收功率设备. 高频振荡电路和高频功率放大电路用于

图2 无线电能传输系统等效电路

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图3 4种基本拓扑结构电路

(a) SS; (b) SP; (c) PS; (d) PP

若传输系统角频率为 , 由图2很容易得到初级、次级回路的电压KVL方程为

ZPIP j MIS UP,

j MI ZI 0,PSS

(1)

次级回路若为串联谐振, 则ZPS表现为纯电阻; 若为

并联谐振, 则ZPS表现为容性负载.

考虑反映阻抗ZPS后, 初级线圈的等效电路如图4所示. 由图4可以得到整个无线电能传输系统的负载阻抗ZPeq如表1所示.

为了减小电源的视在功率等级, 系统应工作在负载阻抗的零相角频率上. 通过调节CP可以实现这一点, 在该频率点上, 从电源来看负载电抗为零, 减少了虚功分量, 增加了传输功率. 同时为了确保最大功率的传递, 这个零相角频率应当设计和次级回路共振频率相等, 所以可选择初级回路补偿电容同时来补偿初级电路本身的电感和反射阻抗.

利用ImZPeq( = 0)=0, 可以计算得到各种基本拓扑结构下初级回路的补偿电容CP, 具体如表2所示. 表2中的ReZPS和ImZPS分别为次级回路并联谐振时反射阻抗的实部和虚部, 具体为

ReZPS

222

( 0M)2(RS(1 0CSRL) RL) ,2

RS 2RSRL 02L2S< …… 此处隐藏：11114字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……