4基于双激励拾取的无线电能传输系统功率提升策略

1、基于双激励双拾取的无线电能传输系统传输功率策略1，1，1,2（1 重庆大学、自动化学院，重庆 400044 2 中国赛宝，广州，510610）摘要：传统的无线电能传输系统（即 Wirelesser Transfer，WPT）多由单个激励线圈与单个拾取线圈组成，由于系统的耦合机构多为松散的耦合形式，且受到功率器件容量的限制，因此难以获得较大的传输功率。为了提高 WPT 系统的传输功率，该文构建了双激励双拾取线圈的无线电能传输系统（即 Double Primary Coils and Doublck-up Coils Wirelesser Transmis），在原 WPT 系统的基础上，增加了一组

2、激励线圈和一组拾取线圈，利用耦合理论和电路原理的相关知识对该系统进行分析，然后通过仿真及实验验证了所提方案的可靠性和有效性。最后得出结论，在负载选择 5时，双激励双拾取线圈的 WPT 系统相比较于 WPT 系统，其功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。：无线电能传输；双激励双拾取线圈；大功率；效率er Enhancement Strategy for WPT System based on Double Primary Coilsand Doublck-up CoilsDAI Xin1, WU Jinde1, SUN Yue1, HU Jianyao2(1. School of Chongqi

3、ng University, 400044, China; 2. The fifth electronic research institute of MIIT, 510610, China)Abstract: The traditional WPT(Wirelesser Transfer) system usually comprises single primary coil and singlck-up coil, which is difficult toobtain larger transmiser for its loosely-coupled structure and cap

4、acity limi ion of theer device. In order to improve the transmiser of WPT system, this pr builds a WPT system of double primary coils and doublck-up coils (Double Primary Coils And Doublck-upCoils Wirelesser Transmis). Based on the original WPT system, which added a pair of primary coil and ck-up co

5、il,yzed the systemusing knowledge of coupling theory and circuit principle, and then validated the reliability and validity of the strategy proed through thesimulations and experiments. Finally, theis drawnt when the load is 5, the transmiser of the WPT system with doubleprind doublckup coil increas

6、ed by 3.1 times and the efficiency increased by 9%, compared with the WPT system.Key words: Wirelesser Transfer; double primary coils and doublck-up coils;er; efficiency基于双激励双拾取的无线电能传输系统传输功率策略引言随着社会的发展和科技的进步，无线电能传输技术越来越受到人们的关注，并且逐渐被广泛地应用于诸多领域1-4。WPT 技术是一项基于电磁感应原理的新型电能传输技术，它利用初级线圈中的交变电流在空间中产生交变磁场，次级线

7、圈捕获空间中的交变磁场并产生交变电压，从而实现电能的非接触式传输5-8。基于双激励双拾取的无线电能传输系统传输功率策略WPT 技术作为一种新型的供电模式，可以满足某些线圈的无线电能传输系统，并详细分析了其结构与工作特殊环境(潮湿、高温)的需求，可以避免因导线磨损导原理。考虑双激励双拾取线圈之间的交叉耦合，通过选致的的漏电、开路等安全隐患，可以避免传统接触式电取合适的补偿电容，使系统工作在谐振状态，保证其最能传输的一些问题（如接触火花等），具有适应环境能力强、安全环保等诸多优势9-11。目前，WPT 技术已经逐步从小功率的日常家用设备扩展到中大功率的电动汽车12、轨道机车13，当 WPT系统为大

8、功率用电设备提供电能时，要求实现电能的大功率传输14。理论上，可以通过提高初、次级线圈间的耦合系数以及提高系统的频率来达到提高 WPT 系统的大功率传输，然后通过仿真分析以及实验研究，最后得出结论，在负载选择 5时，双激励双拾取线圈的 WPT系统相比较于 WPT 系统，其功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。1 双激励双拾取线圈的 WPT 系统的结构设计和理论分析传输功率的目的。然而，在实际的应用中，初级线圈与1.1 双激励双拾取线圈的 WPT 系统次级线圈之间的耦合系数较小，并且如果要提高初、次双激励双拾取线圈的 WPT 系统结构示意图如图 1级线圈的自感，就必然会增加线圈匝数，增大其串联的

9、所示，图中Cp1 与Cp 2 为原边的补偿电容，Cs1 与Cs 2 为等效电阻，从而使系统损耗增大，提高输出功率同时也会带来电压电流应力的急剧增加，受到电路率器件副边的补偿电容， L 与L为原边自感， L 与L 为p1p 2s1s 2容量的限制，难以较大幅度的提高15输出功率，因此亟副边自感，Rp1 与Rp 2 为原边电感的内阻，Rs1 与Rs 2 为需对无线电能传输系统多对多的传输拓扑进行研究。文献16提出了一种双初级线圈并绕的无线电能传输模式，该方法不仅能使各逆变器工作在谐振状态，而副边电感的内阻，U p1 与Up 2 为原边谐振网络的电压，且还可以有效分配两逆变器的输出功率，达到合理分配

10、1 与 2 为原边谐振电流，Us1 与Us 2 为副边谐振网络输出容量的目的。但是，该种方式并不能有效提高系统的电压，Is1 与Is 2 为副边谐振电流，Rl1 与Rl 2 为接入负的传输功率。文献17构建了一种基于双拾取线圈的无线电能传输系统，通过对系统的分析表明，该方式能显著载，其电压为UR1 与UR 2 ，M11 为两原边电感之间的互提高重载时 WPT 系统的输出功率和工作效率，但是该种方式只是相较于不考虑副边之间互感时，考虑副边之感，M 22 为两副边电感之间的互感，M p1 为原边 1 与副间互感会使其输出功率和工作效率有所提高，并不能真边 1 之间的互感， M p 2 为原边 2

11、与副边 2 之间的互感，正达到提高输出功率和工作效率的目的。文献18分析了多个 WPT 系统共同运行时的情况，线圈间的互感会影响系统的输出功率和工作效率。M1 为原边 1 与副边 2 之间的互感， M 2 为原边 2 与副本文在以上研究的基础上构建了一种双激励双拾取边 1 之间的互感。基于双激励双拾取的无线电能传输系统传输功率策略一般来说在串联谐振补偿电路中整流桥前的交流电阻与整流桥后的直流电阻间的等效关系可表示为：8R R（1）1 2l18（ 10 ）不计初级线圈及拾取线圈的内阻，即R R（2）2 2l 2Rp1 Rp2 Rs1 Rs2 0 。D1D2L1Q1Is1根据假设，化简（3）式得：

12、Ip1+Us1Mp1Cs1+Up1-Ls1RL1E1Lp1Cp1- .U p j(Lp M11) I p j(M p M ) IsQ3Q4Rp1D3D4（4）1.(M M ) I j(L M 0 j) Is Is RM1M22M11pps222 CM2sL2D5D6Q5令副边的谐振补偿电容补偿自感及副边之间的互感，Is2Ip2+Us2-+Up2-Mp2Cs2Ls2E2Cp2 Lp2RL2即令：Q7Q8Rp2D7D81Ls M 22 2C 0（5）s计算得其副边谐振补偿电容Cs 为：图 1 基于双激励双拾取线圈的WPT 系统结构图Fig.1 WPT system structure based

13、on double primary coils and1 2 (L M )Cs（6）doublck-up coilss221.2 系统分析则（5）式代入（4）式中，则（4）式可化简为：根据互感耦合原理和 KVL 定律列出如下所示电压U p j(L M ) I j(M M ) I电流关系的相量矩阵：p11pps（7）0 j(M p M ) I p Is R jLp1 Rp1jM11jM p1jM1 IUjM jL RjM jM p1 p1 11p 2 p 22p 2 I p 2 解该向量矩阵到电流为：U1 jM jM R jL R jM p 2 I 0 p12s1s1jC 122 s1 s1 0

14、 1 I s 2 jM jM jM R jL R2 IU1p 222s 2s 2jC s 2 I I p p1p 2p2 (M M )2 L M （8）pj(3)p11Rj(M p M )基于双激励双拾取线圈，现做出下列假设：Is I pR（1） Lp1 Lp2 Lp ；（2） Ls1 Ls 2 Ls ；根据（8），可以推导出原边谐振回路电感支路的阻抗为：（3） Mp1 Mp2 Mp ；（4） M1 M2 M ；2 (M M )2 （9 ） L MZ Z ZpRjrsrs1rs 2p11（5）Up1 Up2 Up ；（6）从式（9）可以看出，双激励双拾取线圈的 WPT 系统原边谐振回路的电感支

15、路的等效阻抗是一个纯电阻和一个感性阻抗的和 ， 且该感性阻抗的值 是 j(Lp M11 ) ，是由原边电感线圈本身和它与另一原边线圈之间的互感值决定的。为了使系统能够获得最大的传输功率，可以通过原边补偿电容Cp 使系统工作在） Is1 Is 2 Is ；（7）（9） R1 R2 R ；Q6Q2Cp 为：谐振状态，计算WPT 系统负载等效电阻一般远大于副边电感的等Lp M11效内阻，即R R ，则式（16）可化简为：（10）C sp2 2 M p M 2 2 L2M1 p11R（17）RRp12 (M M )2此时系统每个副边的输出的最大功率容量P为pmax2 (M M )2从式(17)可以看出

16、，与 WPT 系样，双激励双拾P P2R p2 （11）Imax1maxpRs取线圈的 WPT 系统的效率值是由系统副边与两个原边双激励双拾取线圈的 WPT 系统原边谐振网络的损的互感耦合值M p 和M 、原边线圈的内阻Rp 、系统原边工作频率 和输出负载R 共同影响的，与原边两输入耗P1 是两组原边谐振网络损耗的叠加，而两组原边谐振电流值相等，因此有：线圈之间的互感值M11 无关。2 R（12）p p表1 是对WPT 系统和双激励双拾取线圈的WPT 系统的关键参数的对比。通过对比可以发现，相较于 WPT系统，双激励双拾取线圈的WPT 系统的功率提高显著，副边谐振网络的损耗 P2 则主要是两组

17、副边电感内阻的损耗，有其效率值也有了一定的提高。2 M M I 表 1 WPT 系统与双激励双拾取线圈的 WPT 系统关键参数对比2 2pp 2 RR （13）s sR RsTab 1 The comparison of critical parameters betn WPTssystem and Double Primary Coils and Doublck-up Coils Wirelesser Transmissystem设Po 为负载输出功率，当考虑副边电感内阻时，其参数WPT系统双激励双拾取线圈的WPT系统UpUp值为原边谐22 M 2 2 (M M ) 2 L M L 22 p

18、 振电流Ip M M I p112pRRpp 2 2R 2R（14）MI (M M )IsRs R副边感ppp应电流IRMI Rs 为系统的总体效率。根据 WPT 系统的传输功率和效率特性，效率表达式为输出功率与系统总输出功率22(M M )I输出功率Ppp R1p R1之比，即：1 RRp RRp 2 M 2系统效率1 2 (M M )2Pp o（15）Po P1 P2 13）与（14）代入（15）中， 将（12）、（：2 M M 2 RpP（16） o Po P1 P2 2 M MR R R R R 22psps2 实验验证2.1 仿真分析WPT 系统和双激励双拾取线圈的WPT 系统分别采

19、用采用表2 和表3 所示的系统参数进行仿真，即：表 2 WPT 系统的参数设置Tab 2 Main parameters of simulation WPT system图 3 两系统输出功率随频率变化的关系Fig.3 Relation betn outputer and frequency of the two表 3 双激励双拾取线圈的 WPT 系统的参数设置systems由图 2 可以看出，当系统频率为 30KHz，负载电阻由 0变化到 20时，两个系统的功率关于负载都是先增大后减小，当负载电阻小于 1.5时，WPT 系统的功Tab 3 Main parameters of simulat

20、ion Double Primary Coils andDoublck-up Coils Wirelesser Transmissystem率略大，但是随着负载的继续增大，WPT 系统的输出功率迅速衰减，而双激励双拾取线圈的 WPT 系统的输出由仿真，分别得出其输出功率关于负载和频功率衰减较慢，且每个副边的输出功率为 WPT 系统的3-4 倍。可以看出，双激励双拾取线圈的 WPT 系统在负率变化的仿真示意图以及其效率关于负载和频率变化的仿真示意图，其示意图如图 2 到图 5 所示。载较大的情况下，其功率更加明显。由图 3 可以看出，当负载电阻为 10时，系统频率由 20KHz 变化到40KHz

21、 时，WPT 系统的输出功率维持在 2.4W，双激励双拾取线圈的WPT 系统每个副边的输出功率由8.9W 下降到 8.2W，双激励双拾取线圈的 WPT 系统每个副边的输出功率是WPT 系统的 3-4 倍。综合图 2 及图 3 可以看出，两者对于频率变化不敏感，相较于 WPT 系统，双激励双拾取线圈的 WPT 系统的输出功率在较大负载时明显。图 2 两系统输出功率随负载变化的关系Fig.2 Relation betn outputer and load R of the twosystems参数取值参数取值Lp116HRp0.13Rdc0.15M113HE30VMp17HLs210HRs0.2L

22、dc1mHM17HM223H参数取值参数取值Lp116HRp0.13Rdc0.15E30VLs210HRs0.2Ldc1mHM17H的作用。2.2 实验分析按照图 1 搭建如图 6 所示的实验模型，并采用表 4和表5 作为WPT 系统和双激励双拾取线圈的WPT 系统的实验参数，经过实验，最终得到如图 8 到图 11 所示的波形图。图 4 两系统效率随负载变化的关系Fig.4 Relation betn efficiency and load R of the图 6 实验装置图Fig.6 Experimental set-up diagra图 5 两系统效率随频率变化的关系 原边发射线圈Lp1

23、Fig.5 Relation betn efficiency and frequency of the twosystems由图 4 可以看出，当系统频率为 30KHz，负载电阻 副边接受线圈Ls1 副边接受线圈Ls2 原边发射线圈Lp2 由 5变化到 20时，WPT 系统的效率由 95%降低到83%，双激励双拾取线圈的 WPT 系统的效率由 99%降低到 95%，双激励双拾取线圈的 WPT 系统的效率始终图 7 原边线圈和副边线圈Fig.7 The primary coils and the secondary coil表 4 WPT 系统的参数设置Tab 4 Main parameters

24、 of WPT system大于 WPT 系统，且衰度较慢。由图 5 可以看出，当负载电阻为10时，系统频率由20KHz 变化到40KHz时，WPT 系统的效率由 81.5%提高到 94.5%，双激励双拾取线圈的WPT 系统的效率由 94.5%提高到 98.5%，且双激励双拾取线圈的WPT 系统的效率始终大于WPT 系统，综合图 4 及图 5 可以看出，不管负载与频率如何变化，双激励双拾取线圈的 WPT 系统对于效率都有明显表 5 双激励双拾取线圈的 WPT 系统参数设置参数取值参数取值Lp116HRp0 13Cp0.54FRdc0 15E30VM17HLs210HRs0 2Cs0.3FLdc

25、1mHRL5整流桥两组副边谐振电路负载两组原边谐振电路FPGA两组逆变电路Tab 5 Main parameters of Primary Coils and Doublck-upCoils Wirelesser Transmissystem图 11 双激励双拾取线圈的 WPT 系统副边拾取电压和电流Fig.11 The secondary resonant voltage and current of double primarycoils and doublck-up coils system由图 8 及图 9 可以看出，WPT 系统原边谐振电压的有效值为 34.3V，谐振电流的有效值为

26、2.3A，其副边整流后的电流为 945mA，系统的输入电压为 30V，输入电流为175mA，则系统的输出功率为4.47W，其效率为85%，由图 10 及图 11 可以看出，双激励双拾取线圈的 WPT系统两个原边的谐振电压为 31.1V，谐振电流为 2.18A，图 8 WPT 系统原边谐振网络电压和电流Fig.8 The input voltage and current of WPT systems primary resonant network其副边整流后的电流均为1.65A，系统的输入电压为30V，输入电流为 965mA，则系统每个副边的输出功率为 13.61W，系统的效率为 94%，综

27、合以上分析可以看出，相较于WPT 系统，双激励双拾取线圈的 WPT 系统的功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。图 9 WPT 系统副边拾取电压和电流Fig.9 The secondary resonant voltage and current of WPT system3 结论本文构建了一种双激励双拾取线圈的WPT系统模型，并对其进行了理论分析、仿真分析以及实验验证。本文首先利用电磁感应理论和电路原理的相关知识建立了基于双激励双拾取线圈的WPT系统模型，并利用原边及副边补偿电容使系统工作在完全谐振状态，从而保证系统能以最大功率传输，同时得到了系统的功率模型和图 10 双激励双拾取线圈的 W

28、PT 系统原边谐振网络电压和电流Fig.10 The input voltage and current of double primary coils and效率模型，然后通过公式推导、仿真分析以及实验验证对两种系统进行了比较，最后得出结论，在负载选择5时，双激励双拾取线圈的WPT系统相比较于WPT系统，doublck-up coils systems primary resonant network参数取值参数取值Lp116HRp0.13Cp0 52FRdc0.15M113HE30VMp17HLs210HRs0.2Cs0 3FLdc1mHM17HRl5M223H其功率了3.1倍，效率提高了

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