无线电能传输的双面LCC补偿网络及其调整方法外文翻译资料

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无线电能传输的双面LCC补偿网络及其调整方法

Siqi Li,会员, IEEE, Weihan Li,学生会员, IEEE, Junjun Deng,学生会员, IEEE Trong Duy Nguyen,会员, IEEE, and Chunting Chris Mi,研究员, IEEE

摘要——本文提出了无线电能传输的一种双面LCC补偿网络及其调整方法。根据所提出的拓扑结构和它的调整方法，两线圈间的谐振频率与耦合系数是不相关的，并且有独立的负载条件。这意味着该系统可以工作在一个恒定的开关频率。在频域中给出的分析表明所提出的方法的特点。对于一次侧开关我们也提出了一个调整网络的方法来实现零电压开关（ZVS）。仿真和实验结果验证了所提出的补偿网络和调整方法的分析和有效性。一个可以为电动车提供输出功率达7.7KW的无线充电系统被建立起来，并且实现了从直流电源到电池负载的效率达到96%。

关键词——电池充电器，电源，电动汽车，无线电能传输，零电压开关（ZVS）。

命名

一次侧MOSFET。

二次侧整流二极管。

发射线圈的自感。

一次侧的补偿电感。

接收线圈的自感。

二次侧的补偿电感。

发射线圈的漏感。

接收线圈的漏感。

折算到一次侧的磁化电感。

折算到一次侧的二次侧补偿电感。

2013年12月16日接收原稿，5月10日到

2014年7月1日修订，2014年7月30日完成。这项工作分别得到了美国能源研究部汽车技术教育资助；中美清洁能源研究中心–清洁汽车联盟、电装国际、密歇根大学和中国留学基金管理委员会的支持。

作者是密歇根大学电气和计算机工程系的Dearborn，MI 48128 美国(电子邮件: lisiqi00@gmail.com; weihanli1988@gmail.com; dengjunjun1985@gmail.com; ntrduy@gmail.com; chrismi@umich.edu)。

S.Li是昆明理工大学电气工程系，昆明，650500，中国。W.Li是合肥工业大学机械与汽车工程系，合肥，230009，中国。J.Deng是西北工业大学电气工程系，西安，710072，中国。

一次侧串联电容和漏电感的等效电感。

折算到一次侧的二次侧串联电容和漏感 的转换等效电感。

二次侧串联电容和漏感的等效电感的衰 减量。

折算到一次侧的二次侧串联电容和漏感 的等效电感的衰减量。

一次侧串联补偿电容。

一次侧并联补偿电容。

二次侧串联补偿电容。

二次侧并联补偿电容。

折算到一次侧的二次侧串联补偿电容。

折算到一次侧的二次侧并联补偿电容。

二次侧串联补偿电容的增量。

M 发射和接收线圈之间的互感。

k 发射和接收线圈之间的耦合系数。

n 发射和接收线圈之间的等效匝数比。

谐振角频率。

U_AB 用在一次侧的一阶输入电压的相量。

输入电压的一阶有效值。

U_{AB_mth} m阶输入电压的相量。

整流器前的二次侧方波输出电压。

U_ab 整流器前的一阶输出电压的相量。

整流器前输出电压的一阶有效值。

整流器前输出电压的最小有效值。

一次侧一阶输出电压的相量。

U_{ab_mth} 整流器前m阶输出电压的相量。

I_Lf1 一次侧补偿电感上电流的相量。

I₁ 发射线圈上电流的相量。

I₂ 接收线圈上电流的相量。

折算到一次侧接收线圈上电流的相量。

I_Lf2 二次侧补偿电感上电流的相量。

折算到一次侧上电流的相量。

I_Lf1AB 当只有U_AB时上电流的相量。

I_1AB 当只有U_AB时发射线圈上电流的相量。

当只有U_AB时折算到一次侧接收线圈上 电流的相量。

当只有U_AB时折算到一次侧上电流 的相量。

I_1ab 当只有U_ab时发射线圈上电流的相量。

当只有U_ab时折算到一次侧接收线圈上 电流的相量。

当只有U_ab时折算到一次侧上电流 的相量。

I_{Lf1_mth} 上m阶电流的相量。

I_{Lf1ab_1st} 当只有U_ab时上一阶电流的相量。

I_{Lf2_mth} 上m阶电流的相量。

MOSFET的关断电流。

MOSFET的最小关断电流。

U_ab超前U_AB的相位。

I_{Lf2_1st}超前U_AB的相位。

U_ab超前I_{Lf2_1st}的相位。

直流输入电压。

电池电压。

I. 简介

利用磁共振进行无线电能传输（WPT）的概念是尼古拉·特斯拉100多年前提出的。直到最近，随着电力电子技术的发展，人们认识到一个无线电能传输系统可以低成本地实现并有足够的商业价值。一些公司，如 WiTricity、Evatran、高通等，已经开发了一些产品，它们可以通过一定的气隙传递具有可接受的功率等级和效率的电力。有许多新的研究成果，如惊人的2米60瓦电能传输[1]，各种分析和控制方法[2]—[5]，使用多米诺形式的中继器引导电力传输路径[6]，[7]，也在最近发布。

在无线电能传输系统中，能量是通过发射线圈和接收线圈间的互感来传递，而漏感对有功功率的传输并没有直接的贡献。由于发射线圈和接收线圈之间的巨大间隙，两者之间的耦合系数很小，通常在5%至30%的范围内，这取决于线圈的距离，校准和大小。这使得无线电能传输系统有一个大的漏感，但一个小的互感。为了增加耦合，线圈的设计，毫无疑问，是很重要的[8]。同时，用来抵消漏感的补偿电路也是非常重要的。通常，添加可以被集总或寄生的电容来构成谐振电路，这就是磁谐振方法。

不同的补偿拓扑结构已被提出并且可以实现调整两个线圈在一个广泛的应用范围内工作在一个谐振频率。有四种基本的拓扑结构，这取决于怎样把补偿电容添加到发射和接收线圈中，即，串联—串联（SS），串联—并联（SP），并联—串联（PS），并联—并联（PP）拓扑结构[9]，[10]。其他一些新颖的拓扑结构也在文献中提出。在[11]中，通过平行补偿和二次侧串联补偿之间的切换实现了一个双拓扑结构，以此来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电力电子转换器上。为了实现完整无线电能传输系统的高效率，一些其他优良的拓扑结构也已被提出。在[12]中，通过在转换器和发射线圈之间添加LC补偿网络构成LCL转换器。当系统工作在谐振频率时LCL转换器有两个优点。第一，逆变器只提供负载所需的有功功率；第二，一次侧线圈的电流和负载条件是相互独立的。在[13]中，为了双向电力传输提出了在一次侧和二次侧都添加LC补偿网络。LCL转换器的设计通常要求两个电感的值相同。为了减少附加电感的尺寸和成本，通常放一个电容与一次侧线圈串联，形成一个LCC补偿网络。利用LCC补偿网络，通过调整补偿网络参数[14]，可以实现零电流开关（ZCS）条件。另外，当二次侧也采用LCC补偿网络，二次侧的无功功率可以被补偿，以此构成单位功率因数。

无线电能传输系统的一个特性是线圈高度的空间自由。这意味着发射和接收线圈的空气间隙变化和错位是必然的。通常，当耦合条件改变时一次侧和二次侧的系统参数和谐振频率也会改变[16]。在传统补偿拓扑结构中，为了实现高效率，当空气间隙改变或错位发生时需要一种调整方法来保持谐振。主要有两种方法，即频率控制[17]，[18]，和阻抗匹配[19]，[20]。在[18]中，对无线电能传输系统的频率特性进行了研究，提出了一种方法可以自动地调整工作频率来保持最优效率。锁相环技术能够调整工作频率来跟踪谐振频率，这将改变由于间隙长度、错位和公差变化而变化的调谐组件[17]。在[20]中采用了阻抗匹配。在SS结构中添加一个调谐电路，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]中设计了一种自动阻抗匹配系统。在[21]中，介绍了两种优化的方法：一次侧电容和电感。对于SS结构，当电容与线圈的自感调谐，可以实现完全谐振特性[10]，[22]。在这种情况下，谐振频率和负载、耦合条件无关。然而，对于SS补偿，一次侧线圈电流会因为耦合系数和负载条件改变。有一个恒定的一次侧线圈电流有一些好处。当一个线圈被设计出来，线圈的额定电流已经确定。一个恒定的电流特性可以使线圈更容易工作在它的额定状态。对于在动态道路一次侧供电的轨道形式线圈，多个接收线圈可以被充电，并且更接受轨道中的恒定电流。此外，功率与一次侧线圈电流，耦合和负载条件有关。当线圈电流不是耦合和负载的函数时，可以简化功率控制。为了保持一个恒定的线圈电流，通常采用额外的相移或占空比控制来调整线圈电流，从而增加了控制的复杂性，逆变器中的循环能量，和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、最困难的部分。本文重点研究了补偿网络的设计。提出了双面LCC补偿拓扑结构和它的参数设计。该拓扑结构在一次侧和二次侧都有一个电感和两个电容。根据所提出的方法，补偿线圈的谐振频率和耦合系数、负载条件是不相关的。无线电能传输系统可以工作在一个恒定的频率，从而简化了控制并减少了频率带宽的使用。在所有耦合和负载条件的范围内可以让一次侧和二次侧变换器实现接近单位功率因数，因此对于整个无线电能传输系统实现高效率是容易的。分析并提出了一个参数调整方法来实现基于MOSFET逆变器的ZVS操作。所提出的方法在耦合系数不断变化的环境中，如电动汽车充电应用中，更具有吸引力。并且，由于它的对称结构，该方法可用于双向无线电能传输系统。仿真和实验结果证实了所提出的补偿网络和调整方法的分析和有效性。建立了电动汽车可用的输出功率7.7kW，从直流电源到电池负载效率达96%的原型。

双面LCC补偿网络以及理论分析在第二节。为了实现ZVS将在第三节讨论调整方法。提出的拓扑结构的设计方法在第四节中介绍。实验，仿真和理论结果将在第五节中比较。结论将在第六节中总结。

II. 提出的拓扑结构和分析

提出的双面LCC补偿网络和相应的电力电子电路组成如图1所示。S₁~S_4<!--

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