电路参数对无线电能传输的影响及控制策略 ・１５５・ 电路参数对无线电能传输的影响及控制策略 王允建，倪艳凤，王涛 ４５４０００） （河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作摘要：无线电能传输（Ｗ ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）系统的输出电流受原边电流、频率、线圈距离（耦 合系数）、负载阻抗等影响。在负载及耦合系数一定时，接收侧的补偿电容影响系统的性能。为了保证 系统的传输效率且使得系统输出电流最大，首先给出了ｗ 电路并进行电路分析，其次讨论结构参数 对系统性能的影响，为调节系统最大电流输出提供依据。给出一种系统最大电流输出控制策略，并进行 仿真验证。最后仿真对比了不同耦合系数对输出电流、输出功率及传输效率的影响。仿真结果表明，在 该控制策略下，适当调整系统电容参数，即可使得系统输出性能最佳。 关键词：无线电能传输；耦合系数；补偿电容；控制策略 中图分类号：ＴＭ７２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１７）０８—０１５５—０４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ＷＡＮＧ Ｙｕｎ－ｊｉａｎ，ＮＩ Ｙａｎ—ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｔａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＷＰＴ）ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｉｄｅ ｃｕｒ— ｒｅｎｔ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｃｏｉｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ）ａｎｄ ｌｏａｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆ－ ｆｉｃｉｅｎｔ ａｒｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｉｄｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓ－ ｔｅｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｘｉｍｕｍ，Ｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓ— ｔｅｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓ— ｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｉｅｄ ｂｙ ｓｉｆｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｏｕｔｐｅｒ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｙ ｓｉｍ— ｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ，ｉｔ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＰＴ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｆｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ 无线电能传输（ｗ ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ） 是不采用任何物理连接，而通过电流、磁场、电磁波等 介质对电子设备进行输电的技术，具有安全可靠、方 便、环保等特点 ，广泛应用于家电、电动汽车、医疗 器械 Ｊ、交通运输 以及一些特殊领域 Ｊ。 要采取一定策略使得输出稳定 。对于蓄电池充电 对象而言，当电池的剩余电量较小时，宜采用恒流充 电，当电池充电接近充满时宜采用恒压充电。文献 ［６］采用了副边ＤＣ．ＤＣ调压电路实现了稳压。该控 由于无线电能传输系统不存在导线的连接，发射 端和接收端是两个完全的模块，一些系统参数如 电感电容参数、负载阻抗、线圈距离（耦合系数）等的 变化，就会导致系统的输出电压／电流发生变化，因此 收稿日期：２０１６—１１一Ｏ２ 制策略可靠、精度较高，但整体效率低，经济性不好。 文献［７］和文献［８］通过改变原边电压电流参数实现 稳压，适合于负载端电压稳定性较高的场合，但该系统 需要增加额外的通信环节，电路较为复杂，成本增加。 文献［９］提出一种应用于ＩＰＴ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ） 系统副边的调压电路，通过调节开关的占空比从而达 到调压的目的。以上文献均是稳压策略，对输出电流 的控制策略并不多见。 作者简介：王允建（１９７３一），男，山东巨野人，博士，副教授，主 要研究方向为谐波测量与定位、自适应控制。 在汽车充电的ｗＰＩ’系统中，汽车泊位的不准确将 ・１５６・ 会影响系统性能，那么应该采取怎样的策略才能 保证系统的传输效率和输出电流在当前情况下为最 大？为解决该问题，本文考察了两线圈结构的ＷＰＴ系 统的补偿电容对系统性能的影响，经过分析和仿真，找 出了影响系统输出的关键电容，并给出了该电容的调 整策略，保证系统在耦合系数变化时也能输出较大电 流。 １ 电路分析 图１为系统结构图。图中， 为等效电压源；ｒ为 电压源等效内阻； 和 ，分别为发射线圈和接收线圈 的电感； 和 分别为发射线圈和接收线圈的自阻； ，、，ｌ、，２分别为电源电流、发射线圈电流和接收边感应 电流； 为互感，Ｍ＝ｋ￣／ Ｌｐ２，ｋ为耦合系数（０＜ｋ＜ １）； 为负载阻抗。 图１系统结构图 根据系统结构图，得到系统等效阻抗： Ｚｐ＝ｒ＋ｊｒ．ｏＬｐ ＋志＋ 畿 （１） 式中，反映阻抗 ＝ Ｍ２／Ｚ ，副边阻抗为 ｊｏｗＬｓ ＋ ＋ 等 负载输出电流： ，一 ｊ Ｚ （１＋ｊｏＪＣ （ｊｃｏＬ，２＋ＲＬ））（１＋ｊ ｃＤ２（ｊｃｃＪ ＋Ｒｌ＋ｚｒ）） （２） 负载输出功率： Ｐ ＝ｌ １Ｌ Ｉ Ｒ （３） 电源输出功率： Ｐ ＝Ｉ，（Ｕ—Ｉｔ）ｌ （４） 传输效率： ７／＝Ｐ ／Ｐ ＝ＩＩＬ ｌ Ｒ ／ｌ，（Ｕ一，ｒ）Ｉ （５） 增益： Ｇ：ＩＬ／Ｕ （６） 式中，Ｇ为输出电流与输入电压的比值，其量纲为电 流／电压，单位为西门子（Ｓ），代表了系统的传输能力。 Ｉ ＧＩ表示对Ｇ取幅值。 ２ 电路参数对系统的影响 当耦合系数不变时，取耦合系数ｋ＝０．１，电容 ， ，ｃ ｃ ：对系统的影响如图２一图５所示。令 Ｃｐ１＝ｇＣｐｌｏ，Ｃｐ２：ｇＣｐ２０，Ｃ ｌ＝ｇＣｍ，Ｃ ２＝ｇＣ￣２ｏ，其中，ｇ 《测控技术￣２０１７年第３６卷第８期 为参考系数，取Ｃｐ１０＝３７．４ ＩｘＦ，Ｃｐ２０＝３．７４ Ｆ，Ｃ ＝ １６．８ ｎＦ，Ｃ ２０＝１２．５ Ｆ，则当参考系数ｇ取不同值时， 即各个电容参数取不同值时对系统的影ｎｉｎｏｎ图２～图 ５所示。 图２ Ｃｐ－取不同值时对传输效率卵和增益幅值Ｇ的影响 ｊ—ｇ＝０．４ ｆ…ｇ＝ｏ．８ ＿一． ’‘ Ｌ ：’。ｇ＝１． ０ ｌｆｋＨｚ 图３ Ｃｐ２取不同值时对传输效率竹和增益幅值Ｇ的影响 ０．５ ０．０ ７０ ８０ ９０ ｌ００ １ｌＯ ｌ２Ｏ ，７ｋＨＺ 图４ Ｃ 取不同值时对传输效率卵和增益幅值Ｇ的影响 从图２知，在设计参数附近，不管ｇ取何值，系统 的传输效率和增益幅值几乎不变，均在谐振频率８５ ｋＨｚ左右取得最大值。从图３知，随着ｇ的增大，增益 幅值增大，不影响系统的谐振频率，但传输效率变化明 显，当ｇ＜１时，随着ｇ的增加，传输效率也逐渐增大， 当ｇ≥１时，传输效率呈多峰现象。 电路参数对无线电能传输的影响及控制策略 Ｏ．２ ● 一厂． ． ●Ｌ ０ ＿ｅ加 ０ 一一 ｂ ０ ｌ Ｏ，Ｏ ｆｋＨｚ ｋＨｚ 图５ Ｃ ：取小㈨侦时对传输效率叼干¨增益幅值Ｇ的影响 从图４ Ｉ，随着ｃ 的增大，增益和效率最大值 儿乎不变，似是睹振频率点左移（谐振频率点向低频 偏移）。图５表明ｃ 的取值变化对系统的传输效率和 增益ＪＬ乎没有影响，同时也表明 ｃ ！的值对系统谐振 的影响很／Ｊ、。 该仿真表明，电容Ｃ 、ｃ 、Ｃ 的值对系统谐振几 乎无影响，而Ｃ 。）（ｑ ￣Ｉ比＇１振频率点有较大的影响；改变ｃ 。 的值可以改变频凿振频率。且当ｃ ．的值逐渐增大时， 谐振频率点左移 取一组参数值，当耦合系数 取值不同时，增益和 传输效率随蓿频率的变化如图６所示 Ｏ Ｌ——＝ § ＝＝＝［ ０ Ｌ 一＝＝ 三 ６０ ７０ ８０ Ｊ／ｋＨｚ 网６耦合系数＾取小同值时对传输效率卵和增益幅值Ｇ的影响 图６表明耦合系数 对系统谐振频率存在影响， 当耦合系数 较小时，增益的最大值随着 值增大而 增加，当耦合系数 较大时，增益最大值基本不变；但 系统的谐振频率 左移， 盏效率频率带宽增加，在弱耦 合和临界耦合状态时，效率曲线的谐振峰是单个，而在 强耦合状态时，…现多个谐振峰，系统｝｝Ｊ现频率分叉现 象。 以上仿真表明，耦合系数 和电容Ｃ 的改变，都 使系统的谐振频率发生变化。 此，当系统的耦合系 数发生变化导致系统谐振频率改变时，可以适当调整 ｃ ，的值，以保证系统的谐振点基本不变和高效率的传 ・１５７－ 输。图７描述了电容Ｃ 和耦合系数 对系统效率的 Ｏ●— ０５｝ ． 影响。 １ Ｏ ０ ５ ０ Ｏ ６ 网７ 电 Ｃ 合系数 对传输效率７／的影响 ３ 控制策略 在实际系统巾，汽车很难精准停泊到位，所以发射 线圈和接收线圈的相对位置会经常发生变化，即耦合 系数 发生变化。为了避免汽车没精准停泊到位而降 低充电性能，提ｆｆＩ此控制策略：荆合系数 发生变化， 相应调整ｃ 的取值。电容调整结构如图８虚线框所 示。Ｃ 。是为了保证系统Ｉ卜常 作所 焉的最小电容值， Ｃ川和Ｃ 是为便于蒯节而增加的小容挞电容值。 ，Ｊ ｌ Ｉ６（ ８ 糸统的甬 边等效 选取代价 数．，＝叼×Ｐ ，给定．，， ，．，当系统实际 运行时的Ｊ＜ｔ， 时，系统停止Ｔ作， ｉ｛．，≥Ｊ 时，调整 开关Ｓｗ，寻找到使代价函数＿，最大的电容进行运行。 ４ 仿真验证 当耦合系数 为０．１时，Ｓｗｌ单独作用，ｃ 分别 取不同值时，输…电流，，有ｌ不同峰值，取输｝｝Ｉ电流最 大值及其对应电容值Ｃ ； 为０．１５，０．２，０．２５，０．３时 同样取最大值；那么当耦合系数 取０．１，０１５，０．２， ０．２５，０．３时，分别取最大峰值，并拟合成曲线，并且与 电容固定下的输ｆ｝｛电流进行对比，如１ ９所示。 由图９知，在此控制策略下的输…电流比同定电 容下的输出电流大。在同定电容下，输出电流的范围 是３．０８～８．２７ Ａ，而在控制策略下的输ｆＩｊ电流范围是 １７．２７～３２．１５ Ａ 、 ・１５８・ 图９ 电容固定和电容可调两种情况下输出电流 随 耦合系数ｋ的变化曲线 在以上控制策略下，分别仿真输出功率和传输效 率随耦合系数ｋ的变化曲线，如图１０和图１１所示。 ≥ 兰 图１０ 电容固定和电容可调两种情况下输出功率Ｐ叭ｎ随 耦合系数ｋ的变化曲线 ｊ ｊ 商容可调 ／／； ！、、、 ： 』……』……■……一； ； ｊ 』¨……一 ： ： ，，一 Ｉ Ｉ ，一 【Ｉ Ｉ 一 ｛ ｝． ：：，： ：，：．：．＝ ＝ ‘ ：一：：：一：：一一 Ｚ．一 一 ．一一．一．一．一 ～一 一一，一．一．一 ，一一．一 ． 一．一．一 ．一一一．一一 图１１ 电容固定和电容可调两种情况下传输效率钉随 耦合系数ｋ的变化曲线 由图１０知，此控制策略下的输出功率远比固定电 容下的输出功率大。在固定电容下的输出功率范围是 ４７．３７—３４１．９８ Ｗ，而在此控制策略下的输出功率范 围是１４９２．３６—５１６９．３７ Ｗ，后者约是前者的１５—３２ 倍。 由图１１知，此控制策略下的传输效率远比固定电 容下的传输效率大。在固定电容下的传输效率不超过 ４０％，而在此控制策略下的传输效率均在６０％以上， 且在耦合系数取０．１５—０．２５时，效率保持在８０％上 《测控技术｝２０１７年第３６卷第８期 下小范围浮动。根据公式Ｍ：ｋ￣／—Ｌｐ２Ｌ—，，，Ｍ：—．ｒｑｘ ｏｒ＂Ｎ＂ （ 。为真空磁导率，ｒ为线圈半径，Ⅳ为线圈匝数，ｄ为 两线圈间距）得，ｋ取０．１５—０．２５时，发射线圈和接收 线圈距离ｄ为０．１６９９～０．２０１５ ｍ。 由以上分析对比可知，在该控制策略下输出电流、 输出功率及传输效率均有所提高。且能较大范围地保 持高效率传输。 ５ 结束语 本文首先给出了ｗ 系统的电路结构并进行电 路分析，其次讨论了系统参数对谐振频率的影响。讨 论结果表明，电容Ｃ 的值和耦合系数ｋ逐渐增大时谐 振频率点降低，这为调节系统输出提供了依据。最后 提出一种控制策略，仿真对比了在该控制策略下和不 在该控制策略下输出电流、输出功率及传输效率随耦 合系数的变化。仿真结果表明，在该控制策略下，系统 有较好的输出性能。 参考文献： ［１］ 王洪博，朱轶智，杨军，等．无线供电技术的发展和应用前 景［Ｊ］．电信技术，２０１０，１（９）：５６—５９． ［２］ 程丽敏，崔玉龙．磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进 展［Ｊ］．电工电气，２０１２（１２）：１—５． ［３］ 杨庆新，陈海燕，徐桂芝，等．无接触电能传输技术的研究 进展［Ｊ］．电工技术学报，２０１０，２５（７）：６—１３． ［４］ 王秩雄，胡劲蕾，梁俊，等．无线输电技术的应用前景［Ｊ］． 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