基于LC网络的感应电能传输系统动态供电方法

高世萍 麦瑞坤

感应电能传输（inductive power transfer, IPT）技术将电能以非接触的方式从供电电源传递给用电负载，具有安全、可靠、供电灵活等优点，已经成为国内外近几年研究的焦点[1-2]。而随着全球化石油燃料的日益紧缺及自然环境的不断恶化，电动汽车受到世界各国的大力推广。但充电问题却成为了限制电动汽车发展的最大问题[3]。

将感应电能传输技术应用于电动汽车中，已受到越来越多的国内外研究机构关注与研究[4]。目前传统的静态无线充电技术在运用到电动汽车上时，存在续航里程短、电池组笨重且成本高昂、充电频繁等缺点[3]，因此，在该背景下，电动汽车动态无线供电技术被人们提出[5]，该技术保证了电动汽车在行驶过程中被实时的提供能量，降低了电动车电池组的搭载数量，提高了电动汽车续航里程，为电动汽车的市场化起到了推动作用。

为了实现电动汽车动态供电，可采用较长的IPT供电线圈方案[6-7]，然而这样必将增加电能损耗、降低电能传输效率。并且，当采用较长的初级供电线圈时，次级电能拾取线圈将无法完全覆盖初级供电线圈范围，造成电磁泄漏[8]。因此，采用分段导轨供电方式是更为合理有效的方法。

目前，国内外对IPT分段供电技术展开了初步研究，并主要集中研究了供电线圈切换模式[9-10]、供电线圈切换方法等[11-12]。

本文主要研究单逆变器供电、多初级LCL线圈并联的分段导轨动态供电问题[13]。但采用这种分段导轨供电存在的问题是，当电动汽车还在与第一个LCL初级线圈进行耦合时，其余所有并联LCL初级线圈都处于通电状态，存在较大的初级线圈电流，这样带来了系统功率损耗以及较大的电磁辐射。同时，如果直接在并联的LCL线圈回路中串联开关进行线圈的切除，将会带来较大的开关硬力。因此，本文提出一种含有交流开关的 LC网络，通过调节交流开关的通断，进而降低初级线圈电流大小，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的，并使得逆变器工作在软开关状态。

1 无线电能传输系统LCL-S拓扑分析

IPT系统采用LCL-S补偿结构，该结构具有初级线圈输出电流恒定、传输功率大等优点[14]，如图1所示。图中主要包括直流供电电源E、DC-DC变换器、高频逆变器（由 S1－ S4组成）、自感L1、初级谐振补偿电容 CP、初级线圈自感 LP、互感M、次级线圈自感 LS、接收端谐振补偿电容 CS、高频整流器（由 D1－ D4组成）、平波电容C1及功率负载RL。

图1 LCL-S型补偿拓扑的IPT系统

在IPT系统中，初始配置参数时使得初级电路和次级电路均处于谐振状态，满足下列关系：

ZS表示次级电路总阻抗，可表示为

式中，rS为次级线圈内阻；8RL/π2为整流性负载的阻抗表达式[14]。

ZR表示次级电路总阻抗 ZS在初级电路中的映射阻抗，即ZP表示初级电路在初级线圈处等效阻抗，即

式中，rP表示初级线圈内阻。

ZCP表示初级电路在补偿电容处等效阻抗，即

从式（9）可以看出，LCL-S的电路拓扑具有初级线圈电流输出恒定的优点，与负载空载与否无关。

2 基于LC网络的初级线圈电流调节原理

为满足电动汽车动态充电需求，在IPT系统中，采用单逆变器供电、多初级LCL线圈并联的分段导轨供电的电路拓扑，如图2所示。其中，各LCL拓扑均满足式（2）的等式关系。

图2 多初级LCL线圈并联的IPT系统

但采用图2中拓扑存在的问题是，当电动汽车还在与第一个LCL初级线圈进行耦合时，其余所有并联LCL初级线圈都处于通电状态，存在较大的初级线圈电流，会带来系统功率损耗以及较大的电磁辐射。

针对该问题，提出一种采用如图 3所示的 LC网络结构，由电感 La、电容 Ca、开关 Sc与 Sd，其中开关 Sc与 Sd组成等效交流开关组 Sa。通过控制LC网络中交流开关组 Sa的通断，进而对初级线圈电流 LP的大小进行调节。在图 3中，La与 L1的互感大小为Ma。

图3 初级线圈电流调节的LC网络结构图

当Sa闭合时，LC网络等效阻抗Za可表示为

LC网络在初级电路的反射阻抗Zra可表示为

在LC网络中，交流开关组Sa的通断分别对应两种不同的情况：当电动汽车在远处时，交流开关组Sa闭合，降低初级线圈电流IP；当电动汽车进入第一个初级线圈时，交流开关组 Sa断开，此时 LC网络在初级电路中等效的反射阻抗接近于 0，能量从初级线圈正常传递到次级线圈，给电动汽车动态充电。当电动汽车远离第一个初级线圈、即将进入第二个初级线圈时，第二个初级线圈的交流开关组Sa2从闭合状态动作为断开状态，同时，第一个初级线圈的交流开关组Sa从断开状态动作到闭合状态。后续并联初级线圈中的开关依次重复动作，保障电动汽车的动态充电，同时，降低其余并联初级线圈在不与次级线圈耦合时的初级线圈电流，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的。

由式（7）及式（11）可得，当交流开关组 Sa闭合时，此时的初级电路总等效阻抗为

逆变器输出电流1I˙可表示为

初级电路中初级线圈电流 I˙P可表示为

由式（14）可知，当系统确定并配置好相应谐振参数时，等式右侧的变量就只存在Za，当Za减小时，初级线圈电流IP将减小。

此时，LC网络中感应电压aU˙可表示为

在交流开关组Sa闭合时，开关管承受的电流硬力应满足下述等式

当交流开关组Sa断开时，即表示电动汽车进入当前初级线圈中。同时，交流开关组Sa断开，即在LC网络等效产生一个无穷大的阻抗，由式（10）、式（11）可知，LC网络在初级电路中等效反射阻抗Zra接近于0。

由式（8）可知，当前逆变器输出电流的表达式为

此时，LC网络中感应电压 U˙a可表示为

在交流开关组Sa断开时，开关管承受的电压应力应满足下述等式，即

因此，在对开关管选型时，应根据电路参数，充分考虑到开关管的耐压值与耐流值，以保证系统安全与稳定。

3 实验验证

为了验证上述通过调节 LC网络中交流开关通断进而改变初级线圈电流大小的可行性，依照图 1与图3搭建了一套LCL-S型的IPT实验系统，如图4所示。IPT系统中高频逆变器的控制芯片为TMS320F28335，交流开关器件为APT56F50L。

IPT系统电路参数见表1，其中初级线圈与次级线圈气隙间距为65mm，将 IPT系统配置为静态谐振状态。

表1 IPT系统电路参数

同时，为了验证控制交流开关通断改变初级线圈电流大小的效果，只在原边绕制一个LCL拓扑的初级线圈。通过实际将次级线圈从远处慢慢驶入并远离初级线圈，模拟电动汽车从远处驶入、充电、远离的过程。并通过次级线圈的不同位置进而控制交流开关的通断，实验波形如图5所示。

在图5中，IP为初级线圈电流，UP为初级电路逆变器输出电压。可以看出，在交流开关动作过程中，逆变器输出电压UP保持恒定。同时，初级线圈电流变化情况对应交流开关通断情况为：在t0时刻，表示电动汽车还未进入分段导轨，即次级线圈还处于远离初级线圈的阶段，此时，通过控制器控制交流开关组Sa闭合，进而降低初级线圈电流IP，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射、保护人体安全的目的；在 t1时刻，表示电动汽车开始进入分段导轨中，即次级线圈开始与初级线圈进行耦合，当前对电动汽车进行充电，通过控制器控制交流开关组Sa断开，让初级线圈电流恢复正常，能量从初级线圈正常传递到次级线圈，给电动汽车动态充电；在t2时刻，表示电动汽车开始远离分段导轨，即次级线圈即将远离初级线圈，停止对电动汽车进行充电，通过控制器控制交流开关组Sa闭合，进而降低初级线圈电流 IP，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的。

图5 实验波形

4 结论

本文主要研究单逆变器供电、多初级LCL线圈并联的分段导轨供电问题，提出一种含有交流开关的 LC网络，通过调节交流开关的通断，进而降低初级线圈电流大小，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的。首先分析了LCL-S的谐振补偿拓扑，得出该拓扑具有初级线圈输出电流恒定的优点，然后介绍了含有交流开关的 LC网络的初级线圈电流调节原理，进行了详细的公式推导论证。最后，搭建LCL-S的IPT实验系统，模拟电动汽车充电过程，实验证明在交流开关闭合时，能有效降低初级线圈电流，达到降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的。本文目前通过将次级线圈从远处慢慢驶入并远离初级线圈，模拟电动汽车从远处驶入、充电、远离的过程，只搭建了一个初级线圈验证所提方法的有效性，后续将搭建多个LCL初级线圈并联，进而模拟完整的分段导轨对电动汽车的充电过程。

[1] Keeling N A, Boys J T. A unity-power-factor IPT pickup for High-Power applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(2)： 744-751.

[2] 麦瑞坤, 陆立文, 李勇, 等. 一种采用最小电压与最大电流跟踪的 IPT系统动态调谐方法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(19)： 32-38.

[3] 宋凯, 朱春波, 李阳, 等. 用于电动汽车动态供电的多初级绕组并联无线电能传输技术[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(17)： 4445-4453.

[4] 刘红伟, 张波, 黄润鸿, 等. 感应耦合与谐振耦合无线电能传输的比较研究[J]. 电气技术, 2015, 16(6)： 7-13.

[5] 薛明, 杨庆新, 李阳, 等. 磁耦合谐振式无线电能传输系统存在干扰因素下的频率特性研究[J]. 电工电能新技术, 2015, 34(4)： 24-30.

[6] 戴欣, 孙跃. 单轨行车新型供电方式及相关技术分析[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2003, 26(1)： 50-53.

[7] Elliott G A, Covic G A, Kacprzak D, et al. A new concept： Asymmetrical pick-ups for inductively coupled power transfer monorail systems[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(10)： 3389-3391.

[8] 麦瑞坤, 李勇, 何正友, 等. 无线电能传输技术及其在轨道交通中研究进展[J]. 西南交通大学学报,2016, 51(3)： 446-461.

[9] 麦瑞坤, 马林森. 基于双拾取线圈的感应电能传输系统研究[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(19)： 5192-5199.

[10] Choi S, Huh J, Lee W Y, et al. New Cross-Segmented power supply rails for Roadway-Powered electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2013, 28(12, SI)： 5832-5841.

[11] 田勇. 基于分段导轨模式的电动车无线供电技术关键问题研究[D]. 重庆： 重庆大学, 2012.

[12] 陈琛, 黄学良, 谭林林, 等. 电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估[J]. 电工技术学报, 2015,30(19)： 61-67.

[13] Zhou S, Mi C. Multi-Paralleled LCC Reactive Power Compensation Networks and Its Tuning Method for Electric Vehicle Dynamic Wireless Charging[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015： 1-1.

[14] 谢文燕, 林苏斌. 无线电能传输磁耦合结构分析与优化[J]. 电气技术, 2014, 15(9)： 27-31.