基于可控电感的感应电能传输系统效率优化

吴　静,王智慧

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621999；2.重庆大学自动化学院，重庆400030)

基于可控电感的感应电能传输系统效率优化

吴静1,王智慧2

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621999；2.重庆大学自动化学院，重庆400030)

针对ICPT通用供电平台不同功率等级负载变化时系统效率降低的问题，设计一种改进型可控电感，使得不同功率等级的负载均达到效率最优。基于交流阻抗分析法建立电压型ICPT系统的效率模型，得出不同负载条件下，效率达到最优的最优电感值，并由此得出效率最优时原边发射线圈的最优匝数。通过控制所设计的原边可控电感，调节不同功率下的最优线圈匝数，以保证不同功率等级系统的工作效率均满足要求或达到最优。仿真结果验证了理论分析的正确性和该效率优化策略的有效性。

电力电子；感应耦合电能传输(ICPT)；可控电感；效率优化

随着感应耦合电能传输 (inductively coupled power transfer，ICPT)技术越来越受到学术界的广泛关注，提高ICPT系统功率传输效率显得十分重要，ICPT系统宽功率范围的通用性问题和效率问题已成为推动ICPT技术产业化发展的关键问题。

针对ICPT系统的效率问题，已有相关文献对其进行分析。文献[1]通过对一种电流型ICPT系统的建模，对系统谐振耦合拓扑结构的参数进行了优化设计，提高了该系统的效率；然而此优化策略是在给定负载条件和固定频率下对系统参数的优化设计，未能解决负载变化时的效率问题。文献[2]通过在原边并联相控电感，通过对相控电感的调谐以实现系统功率的高效传输；然而此方法只能在小范围内进行调节，其局限性在于电感调谐范围越宽，初级回路电流畸变程度将会越大。文献[3]通过改变原边谐振电路中的一个固定微调电容充、放电的时间来控制电容量大小，从而实现对功率传输效率的调节；此方法只适用于给定的小功率系统。

论文以电压型ICPT系统为例，建立其效率模型。通过数值方法，得到电压型ICPT系统在零相角频率下效率与原边谐振电感值的关系特性曲线，从而得到效率最优时原边谐振电感优化值。设计一种电感值可控的原边电能发射线圈，通过对该可控电感的控制，动态满足不同功率等级负载的效率要求。

1　ICPT系统效率模型建立

电压型ICPT系统等效电路图如图1所示，拓扑结构分为SS和SP结构。其中S表示谐振电容串联补偿，P表示谐振电容并联补偿。原边采用电容补偿以提高系统功率传输能力，同时减小系统输入伏安容量[4]。Vp是由前级逆变电路形成的高频方波电压源，Cp、Cs分别为原、副边谐振电感Lp、Ls的补偿电容，M为Lp、Ls之间的互感，Rp为初级电感等效串联电阻，Ip、Is分别为初、次级谐振电流，Req为输出端等效负载(这里只讨论阻性情况)。

图1　电压型ICPT系统等效电路图

令ω为系统谐振工作角频率，由交流阻抗分析法建立电压型ICPT系统的数学模型，如式(1)所示。其中Zs为副边阻抗，Zr为副边对原边的反射阻抗，Zt为原边谐振网络输入端等效阻抗，通常副边电感串联等效电阻Rs＜＜ωLs，因此Rs可忽略不计。

令Im(Zt)=0得到系统的零相角频率ω，ICPT系统的传输功率模型可等效为反射阻抗Zr的实部与初级谐振电流Ip的平方的乘积[4]：

由式(2)可得到ICPT系统效率模型：

2　基于可控电感的ICPT系统的效率优化

根据式(1)、(3)的效率模型，对电压型ICPT系统的效率进行分析，系统参数如表1所示。

表1　系统参数

令原边线圈单匝绕组的电感为La，原边线圈单匝绕组的内阻为Ra，N表示原边线圈绕线匝数，则原边线圈的电感Lp和串联等效阻抗Rp分别为[6]：

通过数值方法，得到电压型ICPT系统功率传输效率随原边电感Lp变化的函数关系，如图2所示。

图2　效率随电感Lp变化的特性曲线

由图2可看出，随着原边线圈电感值Lp的变化，SP拓扑结构的系统效率随着Lp的增大先增大再减小，即存在一个最优的Lp使得系统的效率达到最优；SS拓扑结构的系统效率随着Lp的增大而减小。由此可见，原边发射线圈电感值的选取对ICPT系统的功率传输效率影响很大，因此需通过对Lp的优化实现对系统效率的优化。

由式(3)的数值解，得到PS拓扑结构不同功率等级的负载与系统最优效率所对应的原边谐振电感Lp的关系图；SS拓扑结构不同功率等级的负载达到相同效率所对应的原边谐振电感Lp的关系图如图3所示。

图3　不同负载Req与电感Lp的关系

由图3可知，对于SP拓扑结构的ICPT系统，随着负载的减轻(Req增大)，为实现最大效率传输，需要更大的原边谐振电感Lp。对于SS拓扑结构，随着负载的减轻(Req增大)，需要减小原边谐振电感Lp，才能使系统满足效率要求。由此可根据系统效率要求，得到不同拓扑结构和不同功率等级范围内负载所对应的原边谐振电感值。结合图2中原边电感Lp与系统效率的函数关系，SS拓扑结构的ICPT系统原边谐振电感的选取原则为：能够满足系统效率的最小电感值。

由以上分析可知，通过对原边谐振电感的优化设计，能保证不同功率等级的负载工作时，系统效率均能满足要求或达到最优。谐振电感结构示意图如图4所示，a、b两端连接高频逆变器输出端，通过对双向开关K1、K2的通断控制来调节电感值的大小，可根据负载功率等级设计线圈总匝数，由精度要求设计每匝线圈的电感值。

图4　原边可控电感结构示意图

3　仿真验证

为验证上述基于开关电感控制的效率优化策略的正确性，根据表1所示的系统参数建立如图1所示的ICPT系统仿真模型。要求系统效率η≥80%，负载的适用范围为50～200 Ω，以SP拓扑结构为例。

将需要满足的条件50 Ω≤Req≤200 Ω和η≥80%带入系统的效率模型式(1)和(3)，得到该SP拓扑的系统功率等级可分为两段，不同功率等级段负载所对应的原边谐振电感值如表2所示。

表2　电感L 参数设计

令负载电阻Req1=50 Ω，Req2=150 Ω，由表2得到原边谐振电感分别为Lp1=289 μH,N1=17匝，Lp2=324 μH，N2=18匝。通过检测输入电流得到负载的功率等级[7]，从而选择相应的电感Lp。其仿真结果如图5所示，Req在0.15 s时从50 Ω切换到150 Ω，原边谐振电流最大值从10 A下降到7.2 A，负载输出电压最大值从130 V增大到192 V。由图可以得出，Req1=50 Ω时原边谐振电流有效值为Ip=7.08 A，负载输出电压有效值VReq=92 V，输出功率Pout=170 W，效率η=80.04%。根据式(3)的效率模型计算出的理论值分别为：Ip=7.26 A，Pout=178 W，η=81.8%。可见Ip，Pout，η仿真值与理论值的误差分别为2.47%，4.49%和2.15%，均属于可以接受的范围(小于5%)。Req=150 Ω时原边谐振电流有效值为Ip=5.09 A，负载输出电压有效值VReq=136.5 V，输出功率Pout=124 W，效率η=81.2%。Req=150 Ω时效率的理论计算值η=82.6%，与仿真值的误差为1.69%，可见仿真值与效率模型的理论计算值有较好的一致性。

图5　SP拓扑结构负载切换仿真图

图6为不同功率等级负载的效率仿真图，其中SP拓扑要求系统效率η≥80%，SS拓扑要求系统效率η≥70%。由图可看出，传统的电感设计方法得到的系统参数对负载适应性差，系统效率随着负载范围的增大而降低。通过可控电感优化策略，系统根据不同功率等级的负载实时调节原边谐振电感值，保证了系统均满足效率的要求。

图6　电压型ICPT系统不同功率等级负载效率仿真图

4　结论

论文采用原边电感可控的动态调节电路实现了对ICPT系统工作效率的控制。当负载变化时，此效率优化策略可实时改变初级谐振电感等效值，使得不同功率等级负载的效率均满足要求或达到最优。论文所采用的效率优化策略对ICPT系统通用供电平台的负载自适应性有一定的理论意义与实用价值。

[1]孙跃，夏晨阳，戴欣，等.CPT系统效率分析与参数优化[J].西南交通大学学报，2010，45(6):836-842.

[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]SI P，HU A P，MALPAS S，et al.A frequency control method for regulating wireless power to implantable devices[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2(1):22-29.

[4]周守昌.电路原理[M].2版，北京：高等教育出版社，2004:156-162.

[5]WANG C S,STIELAU O H,COVIC G A.Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(5):1308-1314.

[6]孙跃，夏晨阳，赵志斌，等.电压型ICPT系统功率传输特性的分析与优化[J].电工电能新技术，2011，30(2):9-12.

[7]WANG Z H,LV X,SUN Y,et al.A simple approach for load identification in current-fed inductive power transfer system[C]// POWER CON 2012.Auckland,New Zealand:POWER CON 2012，2012.

Optimization on efficiency of inductively coupled power transfer system based on controllable inductance

WU Jing1，WANG Zhi-hui2
(1.Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621999,China; 2.Automation College,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

In order to solve the problem that the efficiency of the ICPT common power supply platform decreases when the different power rating load changes,an improved controllable inductance was designed to make different power rating load achieving optimal efficiency.With AC impedance analysis,the efficiency model of voltage type ICPT system was built,and then the optimal inductance value and the optimal of the primary transmitting coil turn were obtained under different load conditions.The optimal coil was regulated under different power ratings by controlling the designed primary controllable inductance,so to ensure the work efficiency of different power rating systems meet the requirements or to be optimized.The simulation results verify the validity of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed efficiency optimization strategy.

power electronics;inductively coupled power transfer(ICPT);controllable inductance;efficiency optimization

TM 7

A

1002-087 X(2016)10-2048-03

2016-03-23

中国工程物理研究院总体工程研究所创新与发展基金(14cxj09)

吴静(1989—)，女，四川省人，助理工程师，工学硕士，主要研究方向为智能电力电子以及感应电能传输技术。