1.設計背景

 

在zai無wu線xian磁ci共gong振zhen電dian能neng傳chuan輸shu係xi統tong中zhong
，由you於yu發fa送song線xian圈quan與yu接jie收shou線xian圈quan之zhi間jian往wang往wang具ju有you很hen大da的de間jian隔ge
，或huo者zhe沒mei有you對dui齊qi，使shi得de兩liang個ge線xian圈quan之zhi間jian互hu感gan係xi數shu往wang往wang很hen低di。通tong常chang情qing況kuang下xia都dou小xiao於yu0.3。這種情況在 全國大學生智能車節能組^[1] 比賽中情況會更糟。由於車模行駛到發送線圈上，依靠簡單的光電或者磁場定位，車模上的接收線圈往往很難對準發送線圈的中心。

 

為wei了le避bi免mian線xian圈quan漏lou磁ci造zao成cheng的de電dian感gan對dui於yu電dian能neng傳chuan輸shu的de阻zu礙ai
，往wang往wang需xu要yao對dui發fa送song和he接jie收shou線xian圈quan使shi用yong電dian容rong進jin行xing補bu償chang。在zai前qian幾ji天tian測ce試shi了le簡jian單dan的de電dian容rong串chuan聯lian補bu償chang，可ke以yi獲huo得de50W傳輸功率，效率在75% 左(zuo)右(you)。串(chuan)聯(lian)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)雖(sui)然(ran)設(she)計(ji)簡(jian)單(dan)，但(dan)是(shi)對(dui)於(yu)發(fa)送(song)係(xi)統(tong)存(cun)在(zai)不(bu)穩(wen)定(ding)情(qing)況(kuang)。特(te)別(bie)是(shi)當(dang)負(fu)載(zai)出(chu)現(xian)較(jiao)大(da)波(bo)動(dong)時(shi)
，會(hui)引(yin)起(qi)發(fa)送(song)線(xian)圈(quan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)出(chu)現(xian)很(hen)大(da)的(de)波(bo)動(dong)。

 

為了適應負載的波動，往往采用LCC電路補償形式。它可以在了負載變化的情況下，維持發送線圈中的電流恒定，從而提高了係統的穩定性。

 

2.LCC補償方案

 

LCC電路補償是指在原來的發送線圈上增加三個補償器件
，它們組成一個T型的電路網絡：

 

●     T型左邊支路：串聯補償電感Lp

●     T型右邊支路：串聯補償電容Cps

●     T型下邊支路：並聯補償電容Cpp

 

發送和接收線圈采取對稱的LCC補償方案。

 

采用LCC進行補充的無線發送和接收電路

 

3.對稱T型補償電路

 

相比原來串聯補償，隻有一個補償電容參數，在設計時隻需要考慮到電路諧振頻率便可以求出補償電容的參數。

 

采用LCC補償方案，每邊補償網絡的參數變成了三個參數：Lp,Cps,Cpp。這使得電路設計變得複雜。

 

為了簡化設計，往往以下麵對稱T型網絡為基礎來設計電路。在負載Z0與電源Ui之間，使用了兩個jX（電感）和一個-jX（電容）組成了一個T型補償網絡。其中三個器件在工作頻率下對應的電抗幅值均相同。因此這個電路在設計過程中隻有一個參數X，因此設計過程簡單。

 

對稱梯形電路結構

 

這個電路最重要的一個特性，就是負載Z0的工作電流I0是一個恒定值：

 

 

它與負載Z0沒有關係。如果負載Z0就是對應的發送線圈中對應副邊的反射電阻
，這也說明發送線圈中的電流I0不會隨著負載的變化而改變
，這使得係統保持穩定。

 

如果接收線圈已經進行很好的電容補償，對應線圈的負載假設為RL，那麼通過發送和接收線圈的耦合，在發送線圈所對應的反射電阻：

 

 

因此，無論實際負載RL的變化，還是發送和接收線圈之間的互感M的變化
，反映在發送線圈中都是改變了對應的反射阻抗的大小。

 

02 LCC補償網絡參數設計

 

根據在 無線充電係統在輸出部分采用LCC拓撲結構綜述研究^[2] 中的方案設計LCC的網絡參數。

 

發送和接收線圈

 

發送和接收線圈參數：

 

●     電感量：29微亨；

●     互感量：在相距3厘米時
，互感量為9.5微亨
；

 

1.設計條件

 

（1）輸出負載

 

假設電阻負載RL=10Ω。經過全橋整流之後，根據 全橋整流等效負載阻抗是多少？^[3] 討論，整流全橋之前的阻抗大約是：

 

 

假設工作頻率：f0=95kHz。

 

原邊的反射電阻：

 

 

假設輸出功率：。

 

（2）輸入功率

 

工作電壓：。

 

對應的基波的有效值：

 

方波以及對應的基波峰值

 

假設原邊到負載之間的效率為：。

 

因此電源在反射上的功率為：

 

 

流經反射電阻的電流：

 

原邊LCC補償結構

 

2.計算結果

 

根據前麵計算出的I0的大小，可以分分別求出LCC補償器件的參數：

 

 

經過計算之後的LCC補償參數：

 

 

3.誤差影響分析

 

在實際實驗中，由於相關的電感L1，電容Cpp,Cps與設計參數會有相應的差別，主要原因包括：

 

●     隻能通過規格的電感、電容通過串並聯製作。所以它們隻能取與設計相近的數值
；

●     滿足ZVS（Zero Voltage Switch）條件：逆變器需要呈現感性條件。

 

在 Applying LCC compenstation Network to Dynamic Wireless Charging System^[4]給出了網絡參數偏離實際對稱狀態下的表達式。以LCC補償下支路Xp為基礎
，左手偏離比率定義為 ；右手偏離比率定義為：
，那麼流經耦合線圈的電流表達式為：

 

 

從公式中可以看到，當α，β等於1時
，流經耦合線圈的電流是一個常量：。

 

下圖顯示了U1=300V,Xp=12歐姆，Rref=8Ω的情況下

，不同的α，β對於電流的影響。

 

α，β對於耦合線圈電流的影響

 

4.製作LCC補償網絡

 

（1）製作電感Lp

 

主要製作的電感電感量：Lp=4.56uH

 

最初的電感骨架

 

環形骨架參數：

 

α
，β尺寸：32mm×20mm×11mm

α
，β匝數：N1=42

α
，β電感：L1=203.6uH；

 

根據Lp要求，需要製作的匝數為：

 

 

利用Litz線繞製6匝電感，測量電感：L=5.895uH。

 

繞製的6匝電感

 

（2）製作Cpp,Cps

 

使用0.22uF的電容通過串並聯製作Cpp,Cps。

 

製作的電容

 

●     兩個電容串聯製作Cps。Cps=0.11uH。

●     三個電容並聯製作Cpp。Cpp=0.66uH。

 

（3）補償網絡模塊

 

利用 粘貼銅箔簡易實驗電路製作[5] 製作LCC補償網絡電路。

 

製作的LCC補償模塊

 

LCC網絡參數：

 

     ○ Lp=5.901uH 

     ○ Cpp=650.2nF 

     ○ Cps=104.8nF

 

連接在一起的耦合實驗品台

 

發送線圈的LCC補償網絡（左）接收線圈的全橋整流（右）

 

03 實驗測試

 

1.空載測試

 

將接收線圈移開，隻測量發送線圈在空載下工作情況。

 

發送線圈在空載下測量

 

下麵顯示了在不同的工作頻率下
，發送電路的工作電流變化情況。可以看到在設計的工作頻率點95kHz左右
，係統工作電流最小
，隻有60mA左右。

 

不同頻率下的空載電流

 

ruguoshijiandandechuanlianbuchang


，zaifasongxianquankongzaishi
，gongzuodianliuzehuidadaozuida。cishixitongdegonghaoyezuida

，zhexiediangonglvdouxiaohaozaiqudongdianluhegongzuoxianquanshang。

 

經過LCC補償
，情況則相反，在空載下，係統的工作電流自動達到最小。因此不需要係統進行額外的電流控製。

 

2.帶載實驗

 

將接收線圈與發送線圈對齊
，並在全橋整流之後連接兩個50W30歐姆的水泥電阻並聯，負載電阻為15歐姆。

 

15歐姆的負載

 

下麵給出了不同頻率下

，係統的輸入功率
、輸出功率以及電能轉換效率：

 

 

不同頻率下的轉換效率與功率

 

可以看出
，在設計工作頻率95kHz時
，係統的轉換效率達到最高。但在105kHz時，係統的輸出功率達到最高。

 

3.滿載實驗

 

根據前麵設計係統滿載工作條件。在負載為10歐姆（由三個50W，30歐姆的水泥電阻並聯），驅動橋電壓為24V時，輸出功率應該50W左右。下麵是測量的結果：

 

●    電源工作電壓：: Vbus=24V

●    整流橋輸出電壓：Vout=22.11V
，輸出功率：48.89W

●    電源電流Ibus=2.66A，係統輸入功率：64.32W

●    係統效率：76.0%

 

由測試結果可以看出，係統工作條件基本達到了設計要求。

 

下圖顯示了工作一段時間之後
，LCC補償電路和接收電路溫度分布情況。可以看到串聯補償電感Lp有很大的溫度升高，它損耗了一定功率。在輸出電路中，全橋整流溫度也升高。

 

穩態溫度分布圖

 

4.線圈中的電流

 

前麵設計LCC補償電路參數，依據的原理是對稱T型電路會使得發送線圈的電流保持恒定。下麵使用電流鉗分別測量在電路滿載和空載下，發送線圈的電流大小。

 

測量線圈中的電流

 

下圖是係統在空載時
，發送線圈中的電流波形（青色）。

 

線圈驅動電壓與線圈中的電流

 

下圖顯示了係統工作在滿載時，發送線圈中的電流波形（青色）。對比空載和滿載，可以看到發送線圈中的電流幅值基本上保持恒定。

 

線圈驅動電壓與線圈中的電流

 

對比上麵測量結果
，可以看到線圈中的電流基本上保持恒定的數值。

 

結論

 

本文討論了基於對稱T型網絡設計LCC補償網絡參數問題。並對半橋驅動電壓24V情況下，在10歐電阻負載上輸出50W的條件進行設計LCC參數通過實驗測試，驗證了：

 

●    係統功率輸出達到了48.89W；

●    傳輸效率在76%；

 

工作在95kHz下，係統空載電流為60mA

，無需主控電路任何控製，便可以適應接收負載發生劇烈變化的情況。

 

為了進一步提高係統的效率
，需要對LCC中串聯電感Lp的製作進行優化。采用高頻，抗飽和磁環製作
，減少補償電路的損耗。

 

參考資料

 

^[1]全國大學生智能車節能組: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

^[2]無線充電係統在輸出部分采用LCC拓撲結構綜述研究: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113770750

^[3]全橋整流等效負載阻抗是多少？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113777100

^[4]Applying LCC compenstation Network to Dynamic Wireless Charging System: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7405298

^[5]粘貼銅箔簡易實驗電路製作: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/112150112

 

 

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