实验技术与管理Experimental Technology and Management 第38卷第1期2021年1月Vol.38No.l Jan.2021 ISSN1002-4956
usb转换CN11-2034/T
DOI:10.ki.sjg.2021.01.020
林云志，赵争鸣
（清华大学电机系，北京100084）
摘要：该文在深入分析无线电能传输技术的传输特性及其磁耦合式传输工作原理的基础上，基于LCL-S
型谐振耦合原理设计了一套大功率无线电能传输实验平台首先，利用互感耦合模型对平面型系统机构进行
了电路分析；其次，搭建了该实验平台的骨架构造；最后进行了实验测试，完成了双脉冲试验、开环控制带
载试验和闭环控制带载试验等，分析了谐振频率对平台传输特性的影响实验结果表明，该实验平台在丁作
频率为75kHz时，输出功率可达30kW，系统效率达到80%以上，稳定性良好.有效可行
关键词：LCL-S谐振拓扑；无线电能传输；大功率；实验平台
中图分类号：U223文献标识码：A文章编号：1002-4956（2021）01・0093-06
Design of high-power wireless power transmission experimental
platform based on LCL-S resonance
LIN Yunzhi,ZHAO Zhengming
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)
Abstract:On the basis of deeply analyzing the transmission characteristics of power wireless transmi
ssion
technology and the working principle of magnetic coupling transmission,a high-power wireless transmission
experimental platform is developed based on the LCL-S resonant coupling principle.Firstly,the mutual inductance
coupling model is used to analyze the circuit of the planar system mechanism;secondly,then the framework of the
experimental platfonn is established,and finally,the experimental tests are carried out,which includes the double
pulse test,open-loop control load test and closed-loop control load test.The influence of the resonant frequency on
the transmission characteristics of the platform is analyzed.The experimental results show that when the working
frequency is75kHz,the output power of the experimental platform can reach30kW,the system efficiency can
reach more than80%,which is stable,effective and feasible.
Key words:LCL-S resonance;wireless power transmission;high-power;experiment platform
无线电能传输技术通过向空间激发电场和磁场进行非接触式电能传送。该技术不需要借助输电线导电，具有良好的机械隔离与电气隔离特性，极大地增强了输电的灵活性、便利性及环境兼容性⑴叽目前在电动汽车与轨道交通领域应用前景广阔=但现有无线电能传输技术难以满足受电车辆大功率负载的问题.且由于无线电能传输系统松耦合的特性，如果不进行补偿.会在整个系统中产生较大的损耗，使得整体效
收稿日期：2020-04-30
作者简介：林云志（1975—），男.福建莆田.硕士.教授级高级工程师.研究方向为现代电力电子。
E-mail: 率和输出功率变低w
近年来.实现了较大功率无线电能传输的主要实验平台有：哈尔滨工业大学07】研制了输出功率恒定为一水氢氧化锂
500W的系统样机.样机使用的磁耦合结构的外尺寸为306mmx300mmxl6mm，当传输距离为176mm 时.能量传输效率高达88%；上海交通大学⑷采用LCL-S拓扑结构设计了无线电能传输系统和充电机的研制方案，充电方式为先恒流后恒压，恒流电流为10 A，恒压电压为200V，工作频率为120kHz，功率达到2kW，满载效率在93%以上；重庆大学切提出了基于无线电能传输技术的无线充电解决方案.系统功率可达10k\V.传输距离有35cm.系统效率在85% 94实验技术与管理
以上.最大偏移距离达20cm；东北电力大学［⑼采用串并补偿拓扑，设计了一种功率为6.6kW、效率为 93.8%、定频20kHz的无线电能传输系统，并验证了输出端的恒压特性：但以上实验平台的输出功率仍偏低，不能很好地满足大功率实验的需求为此本文考虑J'无线电能传输系统各种补偿方式的电路特性和应用场合.利用在发射端采用LCL型补偿结构、接收端采用S型补偿结构的方法，研制了一套大功率无线电能传输装置实验平台。
1工作原理
1.1LCL-S谐振拓扑建模分析
图1为原边包含一个电用型全桥逆变器和一个LCL复合谐振网络，副边包含一个串联谐振网路和一个整
流桥的LCL-S谐振拓扑简化电路图。变换器的输出通过串联连接方式为负载供电图1中.Sc为电源，q为高频方波电压，s为电感.心为电感电流.厶为发射线圈电流，Cp为对应线圈厶p的补偿电容，S和厶分别为发射线圈和接收线圈的门感，Alps为接收线圈与发射线圈之间的互感，厶为接收线圈电流，C，为谐振电容，u为整流桥左侧电压.Cf为补偿电容，u cr 为整流滤波电压。考虑无损情况.可列出方程为⑴」2］ =jeLfif+jeZjp-jeA/psA
<j<yAp/p-j«A/A=—）（］）=厶+■—+j^ps^p
首先考虑L p和C p，厶和C s谐振的情况（即Zf取值暂不限定），可解得
P
此外.在认为副边电流为纯正弦情况下，由于副边为不控整流，因此幺和人保持同相.于是有：P=Re（6U：）=tV：=je%M：（3）
其中P为传输功率，*代表共辄，i：为通过C，的电流，/；为通过B的电流，由于此处考虑无损系统，因此可认为输入功率和输出功率相等。
在设计中，需要关注®偏离谐振时厶的幅值和相角，假定
Zf=（l+3）Zp（4）由式（1）可得
Up=jeLjf+—-人)=jeZf/f+j叫^仏-A)(5)
J^p
进一步整理并结合式（2）—（4），可得
L n P p j加厶屛f=U p_j也/p=U p--^-7=U p--（6）
%厶A 整理得功率平衡公式为
P+jedLJ；=如；（7）1.2同轴平行线圈互感
为使任意大小、任意距离的轴向线圈模型之间的互感系数能用关系简单明了的常用解析函数表示.采用Biot-SavartLaw导出互感系数积分公式进行数值计算基于数值计算的方法，推导出同轴圆线圈在任意范闱内的互感系数的分区近似解析表达式；数值微分解算后，得到线圈相互作用与线圈距离、大小的关系如图2所示。
图2轴向线圈模型
图2为两同轴圆线圈，半径分别为&和心.相距为几令K=RJR“称为相对大小；z=dlR\，称为相 对距离。由于互感系数A/|2=A/2i.由Biot-SavartLaw 可证明其互感系数M的计算式为［|3'14!
警n M
x(l-xsin0)
(x2-2.rsin^+l+z2)32
其中，&为真空磁导率.人为Q1时无量纲的二重积分。将K控制在0~0.3，此时略去式（8）中的xsin0与x?两项小值，得到互感系数的近似表达式：
沁心鱼仝驾右（9）
222（沪+/?「）3/2
其中，/为无量纲的二重积分：式（9）计算结果的相对误差在5%
以内.
林云志，等：基于LCL-S型谐振的大功率无线电能传输实验平台设计95
2系统设计
2.1实验平台
图3为无线电能传输的实验平台，无线电能发送模块将高频电能转化为高频磁场，进而与接收端线圈耦合。该平台主要包含电源柜、功率整流、发射结构、接收结构、谐振电容5大部分。
图3实验平台
2.2发射模块
无线电能发送模块由发送线圈盘和发送端谐振电容组成，二者构成串联谐振回路。发送线圈盘由PP 板骨架、线圈、磁体以及若干固定件组成，PP板骨架结构如图4所示。在底板上的方环区域铺设一层1
5 mm厚的磁体，可保证较高的传输性能。在样机中，磁体使用64块100mmxlOO mmxl5mm的方形铁氧体块拼接而成。在嵌线板上的线槽内嵌入利兹线，利兹线规格为直径0.1mm x2000股（一匝线圈由2000根（股）直径为0.1mm的铜线组成，表面缠绕着漆包线），可满足30kW功率等级的传输需求。
f顶板
f嵌线板
f支撑边框
f底板
图4发送线圈盘PP板骨架结构
2.3接收模块
无线电能接收模块由接收线圈盘和接收端谐振电容组成，二者构成串联谐振回路。其中谐振电容为定制金属膜电容，损坏率较低。接收线圈盘的骨架结构如图5所示，线槽内嵌入规格为直径0.1mmx2000股利兹线，可满足传输30kW功率的需求。在磁体框中铺设一层15mm厚的磁体。
图5接收线圈盘骨架结构
3平台实验
3.1双脉冲实验
双脉冲测试电路是常见的测试功率器件特性的电路，由直流电压、二极管、SiC-MOSFET及电感和驱动电路组成。对CREE公司的SiC-MOSFET半桥模块CAS120M12BM2进行多组工作条件下的双脉冲实验分析，实验电路如图6所示。
实验1是在开关管DS两端接入520V左右直流电压，通过设置合适的电感值，使其电流/d=50A o观察DS两端在关断时刻出现的电压尖峰与振荡（见图7），尖峰电压最大可达到250V左右，振荡在6个周期左右恢复。
Te怦
?DS
□8.67«6768V
O O520V
200rw1¾788JJV<10Ht]
=■•均方根均方媒S23A L
732A f
图7520V工作电压脉冲实验
双扣管
实验2是在开关管DS两端接入610V左右直流电压，通过设置合适的电感值，使其/d=60A o观察DS两端在关断时刻出现的电压尖峰与振荡（见图8）,
96
实验技术与管理
尖峰电压最大可达到288 V 左右。与实验1相比.在
DS 两端电压增加400 V 的条件下，关断时刻电压尖峰
的最大值变化在30 V 以内，表现出较好的一致性
图8 610 V 工作电压脉冲实验
进一步增加负载与工作电压：实验3是在开关管
DS 两端接入720 V 左右直流电压.通过设置合适的电
感值，使其A i =70A.观察DS 两端在关断时刻出现的
电压尖峰与振荡(见图9 )，尖峰电压最大可达到264 V
左右。与实验1和2对比，DS 两端电压进一步增加，
关断时刻电压尖峰的最大值变化在264 V 以内，同样表
现出一致性。
重复上述实验.得到以下两组脉冲间隔为8 ms 的
双脉冲实验波形.如图10所示。其中，紫为半桥模
块上管DS 两端电压波形，将半桥模块下管的体二极
管作为上脉冲实验的续流二极管从图10(a)和10(b)的
两组波形可以看出.随着DS 两端电压的提高，DS 关断 时刻的尖峰电压有所提高，但是均在较小的可控范围内。
实验结果表明，该半桥模块在电斥520〜720 V 、多功能锤子
电流35-50 A 的工作条件下均能满足开关的快速性与
可靠性要求。尖峰与振荡周期限制在一定范围内，保
证了在无线电能传输的器件层面可靠性，二次关断时
刻细节波形如图11所示:藤球制作
Tef 繼.,__, ........TTTm? 777, . 丁_______绅驛綁..」
□
7.070i )» ® 768V
O
7.6301« a 520V
图10 双脉冲实验
闪光棒3.2 开环控制带载实验
带载实验用于实现原边的移相角调制控制策略，
通过检测副边整流后的电容电压或者负载电流的大 小，将该值作为反馈量进行计算。该计算结果通过限
幅环节进一步整定，最终用于控制原边移相桥臂的相 位差，进而实现输出电压或输出电流的控制。
大电流探头的采样频率较慢，难以满足对原边线 圈大功率电流的采样需求，而通过串接霍尔传感器进 行电流采样受磁场十扰较大，因此下列实验仅对原边
串联谐振电容两端电压与原边线圈电感电流进行采 样。图12中绿为谐振电容两端电压，红为原边线
CAS120M12BM2x2MEE250-I2DAX2
图12
开环带载实验电路
林ZX 志.等：基于LCL-S 型谐振的大功率无线电能传输实验平台设计97
圈电流。
图13为当两桥臂的移相角设置为20。时，谐振电 容电压仅在波峰位置，存在因开关管导通，在流经大 功率电流时，谐振电容电床产生的凸台。其余未在导 通时间内.谐振电容电压接近正弦波，处在谐振工作 状态，且该谐振电压与电流相位差为90。一导通期间，
谐振电容两端电压值最大可达到1 800 V 左右，线圈电
流的峰值为14A
图14为移相角从原来的20。增大40。时的谐振电 容电压波形。移相角的增大导致从原边向副边传递的
能量增加，进一步增大了线圈电流有效值。另外，线
圈电流的增大导致谐振冋路电压乘以增益的值同等增 大「谐振电容两端电床进一步提高，凸台所表示的移
相角的持续时间跨度也随移相角的增大而增大
由此分析可知，当移相角为180。时，谐振电容两 端将具有最大的电斥有效值，其细节波形如图15所
示。
图15 移相角为180。时的谐振电容电压波形
由图15可知，在导通时刻，谐振电容电压上升，
同时也导致电感电流出现微小的波动.关断时刻也有
类似的小幅度振荡该振荡的大小及持续时间与原边 线圈和原副边耦合电感的大小有关；
3.3 闭环控制带载实验
闭环带载实验电路如图16所示，通道1所示波形 为原边电压，即％、B 两点间电压；通道2所示波形
为副边电圧，即C 、D 两点间电压；通道3所示波形
为原边电流，即图16中的红剪头所示电流"
在无线传输平台的串联谐振为85、80和75 kHz
时，对装置进行带载实验 在85 kHz 时，前级整流直
流电压为800 V，原边电压占空比为100%，负载电压
最高为550 V ；在80 kHz 时，前级整流直流电压为800 V，负载电压可控制为600 V，带载22.6 kW，此时原
边电压占空比为92.3%；在75 kHz 时，前级整流直流
电压为800 V，负载电压可控制为600 V，带载30 kW, 此时原边电压占空比为57.1%。带载实验结果如表1 所示。
表1实验结果
序号
交流侧相
电压/V 交流侧相 电流/A
负载电压/V 负载电流/
A 源端交流 功率/kW
负载输出
功率/kW
T.作频率/kHz
整机效率/
%
1222.434.5548.2
34.623.0218.978582.42219.640.460037.626.6
22.680
84.83219.0
57.3600
51.5
37.8130.9
75
81.7
豫公网安备41160202000603
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