基于CLC的非接触电能传输谐振点的分析

1、基于CLC的非接触电能传输多谐振点的分析王品一（重庆大学自动化学院，重庆 400030）摘要：在非接触电能传输系统中，高频谐振环节是系统能量耦合的核心环节。原副边谐振电路使得非接触电能传输系统具有典型的高阶开关非线性特性，系统存在着不同的复杂动力学行为特性，存在着多谐振点的现象和谐振点跳变的现象。本文分析了CLC型推拉式电路的原理，根据分段线性自治系统的频闪映射建模理论，得到周期不动点系统稳态多谐振点精确计算方法。最后对得出的多谐振的谐振电压电流波形进行了仿真验证,证明了该理论的正确性。关键词：多谐振点；非接触电能传输； CLC串并联 CLC-based contactless power a

2、nalysis of multi-resonanceWang Pinyi(School of Automation, Chongqing University, Chongqing 400030)Abstract: In the contactless power transmission system, the high frequency resonant circuit is the key part of the energy couple system. Contactless power transmission system has a typical nonlinearity

3、high order switch characteristic because the existence of the primary and secondary resonant circuit. There are complex dynamic behavior characteristics, besides there are the phenomenon of multiple resonance and resonance jump in the system. Firstly this paper analyzes the CLC-type push-pull circui

4、t theory, the cycle fixed point steady-state multi-resonance point can be calculated accurately according to the stroboscopic mapping theory of piecewise linear modeling. Finally, the multi-resonant voltage and current waveform was proved through the simulation, in the same times the theory was prov

5、ed correct.Key words: multiple resonance ;Contactless power transmission; CLC parallel-series1引言非接触电能传输（Contactless Power Transfer, 简称CPT）是基于电磁感应耦合原理来实现电能传输的。其本质是借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输，具有完全独立的原、副边借助高频功率磁场进行能量的发送与接收, 可实现对用电设备的灵活供电，环境适应性强，特别适合于水下或易燃易爆等场合1-2。CPT系统是一种松耦合，长结构导轨情况下，其耦合系数很小，这种松耦合的特性使得高频谐振环节成

6、为系统能量耦合的核心环节。而原副边的谐振电路则使得 CPT 系统具有典型的高阶开关非线性特性，在不同的工作点（或工作状态）上，这样的系统存在着不同的复杂动力学行为特性，存在着多谐振点的现象和谐振点跳变的现象3。 本文分析了基于CLC型的推拉式电路原理，根据分段线性自治系统的频闪映射建模理论4，并在此模型下得出周期不动点系统稳态多谐振点精确计算方法。文中对CLC的非接触电能传输电路多谐振点进行了研究和分析，并仿真验证。2 CLC 型非接触电能传输系统电路拓扑及工作原理图2所示为推拉式 CPT 系统的主电路，为电流源型电路，直流电源与直流电感共同组成准直流源。紧密耦合的电感与组成相分电感，开关管、

7、 与相分电感、构成推拉式逆变器，、构成原边并联谐振电路，与构成副边并联谐振电路，为原边谐振线圈的串联等效电阻. 、与构成了网络.图2 CPT系统CLC串并联谐振逆变器Fig.2 CLC parallel-series resonant converter S1S2组成高频能量变换环节，通过S1，S2 交替导通，系统可实现正反向两种能量注入模式，两对开关管的切换总是在CLC 网电容 的电压过零点进行，以实现ZVS(零电压) 运行，并为谐振网络提供输入电压。有图3可以得出原边电路的传递函数2.1：Y(s)= (2.1)CLC型电流源型CPT主电路可以简化为图3的电路如下：图3 电流型调谐网络Fig

8、.3 Current-fed Track Network 当谐振处于全调谐状态时，=，则可以得出式2.2Y(s)= （2.2） 在谐振频率下，Y(j ) =, 在其中, 是非接触CLC网络的特性阻抗. CLC电路可在不影响零电压切换频率或导轨调谐的情况下实现对输入输出阻抗变换，通过补偿网络,将电压源转换成电流源、发挥带通滤波器功能改善整个系统性能.3 推拉式CLC串并联多谐振点的系统分析由于非接触电能传输系统原副边的松耦合特性，为了提高传输系统的功率传输能力，通常系统原副边主电路都会采用谐振型开关电路， 这就导致了系统的高阶非线性特性，这种特性则使得系统具有非常复杂的行为特性.传统的交流阻抗分

9、析方法作为一种最常用的谐振电路分析方法，可以通过运算法则得到系统的零相角频率，但是这种方法只能给出谐振电路在正弦基波信号激励下的近似解，交流阻抗分析方法只能给出系统的基波谐振频率，而根本无法准确预测系统高阶非线性特性引起的多软开关工作点现象5。本文利用分段线性自治系统的频闪映射建模理论，分析推拉式CLC电路的多谐振点问题。3.1推拉式CPT系统分析对图2所示的电流型推拉式逆变电路，有两个线性模态6：模态 1：开关管 关断，开关管导通，准电流源为谐振网络正向注入能量，稳态模态持续时间 = ；模态 2：开关管 导通， 关断，准电流源为谐振网络反向注入能量，稳态模态持续时间 = 。3.2多谐振点的定

10、义: 应用分段线型频闪映射及不动点理论对CPT系统的分析，系统可能存在多个谐振点，谐振点即指那些开关频率与波形振荡频率一致的软开关工作点。谐振点是系统的一种特殊软开关工作点。如果系统存在k个谐振点，对应的谐振周期为(i=1,2,k).4仿真分析按照推拉式CPT系统的电路拓扑在MATLAB/SIMULINK仿真平台上进行仿真分析，所采用仿真参数如下表所示：表4.1 CPT系统参数取值表Table 4.1 Parameters of a push-pull CPT system 参数 取值 参数 取值输入电压(V)500副边谐振电容(F) 1.03直流电感(H)1000.0互感 400相分电感(H

11、)500.0网电容 1.57原边谐振电容(F)1.03网电容 1.53原边谐振电感(H)59.6网电感 42.8副边谐振电感(H)60.7等效负载() 5利用分段线性自治系统的频闪映射建模理论,并在此模型下得出周期不动点系统稳态多谐振点精确计算方法。得到系统多个谐振点.在100s系统存在2个谐振点，其谐振频率分别为：（1）24.53kHz、（2）23.43kHz. 在MATLAB/SIMULINK下仿真得到两个谐振点下的原副边谐振电压及电流稳态波形。原边谐振电压和谐振电流副边谐振电压谐振电流（a）谐振点1（24.53kHz）原边谐振电压和谐振电流副边谐振电压谐振电流（b）谐振点2（23.43k

12、Hz）图4 推拉式CPT系统各谐振点原副边谐振电压及电流稳态波形Fig.4. Steady-state waveforms of the primary and secondary resonant voltage and currentof a push-pull CPT system at different resonant operating points综上可知，系统在两个理论谐振点上均可稳定工作在ZVS软开关状态，且都有较好的稳态波形，这证明了前面理论分析结果的准确性。5结论文中分析了CLC 型非接触电能传输系统电路拓扑及工作原理，利用分段线性自治系统的频闪映射建模理论，得到周期不

13、动点系统稳态多谐振点精确计算方法.基于matlab/simulink平台下对该CPT系统进行了仿真研究，验证了其两个谐振点的工作特性，并给出2个谐振点原副边谐振电压谐振电流稳态波形，证明了前面理论分析结果的可行性。参考文献1 Hu AP ,Chen ZJ ,Hussmann S ,et al. A dynamically on2offcontrolled resonant converter designed for coal mining bat2 tery charging applications J .Power System Technology ,2002 (2) :1039 -

14、1044.2 孙跃,王智慧,戴欣,等.非接触电能传输系统的频率稳定性研究J .电工技术学报,2005 ,20(11):56 - 59.3 Hu A P. Selected resonant converters for IPT power suppliesPh.D. Auckland: The University of Auckland, 2001.4 唐春森. 非接触电能传输系统软开关工作点研究与应用D. 重庆: 重庆大学, 2009.5 Wang C S, Covic G A, Stielau O H. Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systemsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(1): 148157.6 Yugang Su, Chunsen Tang, Shuping