电流型IPT系统.doc

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电流型IPT系统

第一章绪论

1.1概述

随着经济社会的快速发展，在生活中广泛运用的接触供电方式暴露出越来越多的问题，如高压电能传输过程中的存在意外触电、漏电等安全性问题、存在相对运动的两个系统间供电由于摩擦而产生的老化和电火花问题、导线受到风吹日晒和腐蚀等环境影响的可靠性问题、纵横交错的导线引起的供电灵活性和美观问题。

所以，无线电能传输技术受到日益广泛的重视和研究。

2008年12月，无线电能传输技术被中国科协评选为“10项引领未来的科学技术之一”，在很多领域都将有广泛的应用。

典型的应用包括在手机、平板电脑、数码相机等消费电子充电方面，众所周知，其充电器插头由于需要频繁的拔插，成为这些电子产品最容易损坏的部件之一，如果使用无线充电器便可以避免这个问题[1]。

在海下或矿井等恶劣环境下的供电场合，使用接触供电的话导线磨损很快，需要频繁更换，增加了成本，而且安全性也不好，如果采用无线电能传输则可降低成本，保证员工生命安全[2]。

无线电能传输技术根据传输的原理不同可分为以下五种方式[3]：

（1）基于法拉第电磁感应原理的感应式无线电能传输技术。

（2）基于共振原理的磁耦合无线电能传输技术。

（3）基于两极板间的电场耦合实现无线电能传输。

（4）基于激光技术或微波技术的远距离无线电能传输技术。

以上的几种无线电能传输方式中，基于激光技术或微波技术的远距离无线电能传输技术只是一个设想，现实的可行性正在论证，没有比较权威的理论。

基于共振原理的磁耦合无线电能传输技术[4-5]，虽然传输距离较远，可以达到米级别，但是功率传输能力较弱，只能在瓦级别，且效率较低，在现实使用中局限性较大。

基于电场原理的无线电能传输传输距离较短，且一般用于小功率场合，经常配合感应式无线电能传输系统使用[6]。

因此，本文主要研究基于法拉第电磁感应原理的感应式无线电能传输系统，感应电能传输系统虽然传输距离较近，但是以其很强的功率传输能力和很高的效率在现实生活中得到了广泛运用。

IPT系统按照原边电源的性质区别，可以分为电流型和电压型IPT系统，电流型IPT系统原边一般使用并联补偿，而电压型IPT系统原边一般使用串联补偿，不同补偿方式的特点比较如表1.1所示。

在IPT系统实际运行过程中必然会存在负载跳变的情况，这种跳变会使得负载两端的电压发生改变，这在实际系统运行中是不允许发生的，会使系统无法稳定运行，因此本文针对感应电能传输系统负载跳变时保持输出电压不变的控制方法进行研究，继而保持系统能够稳定运行。

表1.1电压型与电流型IPT系统特点比较

Tab1.1Comparisonofvoltage-fedandcurrent-fedIPTsystems

特点 并联补偿 串联补偿

谐振电容电压波形 方波 正弦波

谐振电容电流波形 正弦波 方波

逆变器功率管电压耐力 高，为谐振电压 低，为电源电压

逆变器功率管电流耐力 低，为电源电流 高，为谐振电流

逆变器与连接导线损耗 多 少

非接触变压器线圈材质 多匝细导线 少匝粗导线或铜片

1.2IPT系统基本结构

IPT系统宏观结构图如图1.1所示，从图中可以看出，IPT系统主要包括能量发送测和能量接收测两大块。

其中能量发送测主要包括电源和发送器，能量接收侧主要包括接收器和负载。

发送测与接收侧通过分离的变压器（又称非接触变压器）连接起来。

图1.1IPT系统宏观结构图

Fig1.1MacrostructureofIPTsystem

IPT系统更详细的结构图如图1.2所示，它表示的是系统从微观上来看包含的几个模块，本结构图是按输入为直流，输出为交流表示的。

与图1.1相对应，能量发送测包括高频逆变电路和原边补偿电路，能量接收侧包括副边补偿电路和负载。

由于非接触变压器原副边间距离较远，原副边都存在很大的漏感，耦合系数很低，如果不采取相应的补偿，所传输的能量中有很大一部分储存在漏感里，功率传输能力很低，传输的效率也很低。

原副边补偿电路根据补偿电容的接法不同分为并并（PP）、并串（PS）、串并（SP）、串串（SS）四种补偿方式[7]。

图1.2IPT系统详细结构图

Fig1.2DetailedstructurediagramofIPTsystem

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

对于无线电能传输的设想最早可以追溯到十九世纪末，伟大的物理学家和电气工程学家特斯拉曾致力于研究无线电能传输技术。

他的理想是实现全球的电能无线传输,特斯拉不仅进行理论的论证研究，还将其付诸了实验，他在1900年筹建了沃登克里弗广播塔（WadenclyffeTower）[8-9]。

虽然他的实验最终并没有成功，但是这是科研工作者第一次对无线电能传输的探索。

随着现代电力电子技术和电力电子器件的快速发展，以及各个行业的对无线供电的需求日益迫切，从上个世纪九十年代起，无线电能传输技术又一次得到了学术界和工业界的重视。

以奥克兰大学的J.T.Boys教授为代表的课题组首先专门从事该方面的研究，从“国家地热公园载人游览车供电系统研究”课题开始[10]，经过多年的刻苦钻研，该课题组在学术研究和实践应用上都取得了丰富的成果，在学术研究方面，他们在IEEE、SCI等著名期刊及会议上先后发表了三十余篇高档次论文，对无线电能传输的各模块以及其控制方法做了详细的理论和实验研究[11-13]。

在实践应用方面，其课题组完成了多个使用于不同场合下的无线电能传输装置，主要有替代传统有轨电车电刷供电的无线供电系统[14-15]、家用电器的无线供电系统[16]以及电动汽车非接触充电系统[17-18]等。

该课题组的研究开启了无线电能传输技术的新纪元。

当时间迈入二十一世纪，环保问题受到人们越来越多的关注，以汽油为燃料的传统汽车对环境的污染日益严重，人们对引起环境污染更少的电动汽车给予了广泛的关注，为了使充电更加安全方便，人们对电动汽车的无线充电技术进行了深入的研究。

比较突出的是韩国科学技术院的Dong-HoCho教授在电动汽车移动式无线充电方面的研究[19-20]，在韩国南部龟尾市铺设了一条长达12公里的汽车无线充电道路，汽车仅需在该条道路上驶过便可完成充电。

电动汽车无线充电系统示意图如图1.3所示。

图1.3电动汽车无线充电系统示意图

Fig1.3Schematicdiagramofwirelesschargingsystemforelectricvehicle

香港城市大学对无线电能传输技术在便携式电子设备充电方面的应用也有很重要的现实意义。

早些年他们便成功研制出通用无线充电平台，该平台可以同时为手机、平板电脑、数码相机等电子设备充电。

目前正在做针对该平台的优化，基于电流矢量控制原理，通过控制电流矢量间接控制线圈磁场的方向和大小，实现全向的无线电能传输系统[21-22]。

二十一世纪初，美国麻省理工学院以MarinSoljacic教授为首的课题组研发出了一种基于电磁共振原理实现较远距离的磁耦合无线电能传输技术，并凭借该项技术点亮了2m远的60W的电灯实验装置，但系统整体效率不高，还达不到50%。

实验装置如图1.4所示，这项技术的出现将无线电能传输研究推向一个新的阶段[23-24]。

直到目前为止，该课题组仍代表着无线电能传输中磁耦合模式无线电能传输方向的国际最高水平。

图1.4磁耦合无线电能传输系统实验装置图

Fig1.4Experimentaldevicediagramofmagneticcouplingwirelesspowertransfersystem

针对电流型IPT系统输出稳定性问题是国外该领域的学者主要研究方向之一，文献[25]提出一种恒频控制策略。

设计一种由负阻抗变换器和电容乘法器组成的电压控制电容器，并将其应用到IPT系统中，与传统的通过控制开关电容阵列的接入电容实现谐振频率的稳定且等于系统的工作频率从而保证输出电压的稳定相比。

此方法具有接入电容无极和平滑调节的优点，提高输出电压的稳态精度。

此方法的缺点是电压控制电容器的硬件电路复杂，提高了系统的硬件成本。

文献[26]通过研究IPT系统的T型等效电路发现当副边谐振电流与原边谐振网络电压相位相同时，只需保持原边输入电压不变，副边输出电压就能保持不变的特点。

基于该特点提出新型控制方法，该方法是将副边谐振电流的相位通过红外方式传递到原边，并在原边采用锁相环（PLL）控制策略保证其同相位，从而保证输出电压的稳定。

该方法的缺点是需要通过红外方式传输信息，提高了系统的硬件成本，还增加了对系统的高频干扰。

文献[27]针对文献[26]需要额外的无线数据传输硬件的缺点，将能量/数据分频复用技术应用到IPT系统中，使用一套硬件设备完成能量/数据的同时传递。

能量和数据通过不同频率的载波传输且单独控制，分析了载波之间的干扰，并提出减小干扰方法。

该方法虽然将硬件成本降到最低，但控制成本相对较高，且在小功率IPT系统中由于数据传输需要高频载波，功耗相对太高，效率太低。

1.3.2国内研究现状

随着国外对无线电能传输技术研究的学者越来越多，也引起了国内一些学者的关注，从上个世纪九十年代起，由西安石油大学的李宏教授第一次在国内期刊上介绍“无线电能传输”的概念。

之后迎来了国内对无线电能传输研究的热潮，包括重庆大学的孙跃、戴欣团队、湖南大学的王耀南团队、南京航空航天大学的陈乾宏团队、浙江大学的马皓团队、中科院电工技术研究所的武瑛、严陆光等人都对无线电能传输技术的基础理论和实际应用做了大量的研究。

重庆大学的孙跃团队早在二十一世纪初就开展了对无线电能传输技术基础理论的研究，包括其基本系统拓扑结构[28]、高频逆变器谐振软开关技术[29]、建模方法[30]、功率传输控制[31]、效率优化[32]等方面。

并与国外该领域研究较早的新西兰奥克兰大学展开合作，共同致力于对无线电能传输基础理论的完善和扩展研究，先后在国内国外著名期刊上发表多篇论文。

在工业应用方面，该团队也一直处于国内先进行列，包括与中国海尔集团合作开发的中国第一台无尾电视。

参与重庆市科技攻关项目“城市电气化交通新型供电模式研究与开发”，成功研制出了几十个千瓦级别的电动汽车无线充电系统。

浙江大学的马皓团队主要研究无线电能传输技术在便携式设备中的应用，提出了一种在多负载情况下的系统参数设计方法，并基于有限元仿真软件（Ansoft）优化在多负载情况下的原边线圈结构，保证系统在各种负载情况下均能保持较高的功率因数[33]。

中科院电工技术研究所的武瑛、严陆光等人主要研究无线电能传输谐振补偿研究，做了不同补偿方式下的系统稳定性分析。

在此基础上对轨道磁浮机车无线供电系统做了可行性分析[34]。

湖南大学的王耀南团队主要研究无线电能传输在电动汽车无线充电方面的应用。

对相对静止型和相对运动型两种不同充电方式进行对比研究，提出了不同充电方式下的系统主电路的参数准则和设计流程。

并根据汽车电瓶的充放电特性，提出了基于无线充电系统的恒压恒流控制算法，保证了较高的充电效率[35]。

南京航空航天大学的陈乾宏团队主要研究无线电能传输技术在人体植入式医疗设备方面的应用。

基于其提出的新的非接触变压器磁路模型，优化非接触变压器外形，使其在较小的尺寸外形下有更高的耦合系数，从而使其更便于植入人体[36]。

并成功研制出了人工心脏无线充电器样机。

针对电流型IPT系统输出稳定性问题，国内学者也同样做了很多研究。

文献[37]提出用高阶CLC谐振网络代替传统IPT系统中的低阶LC谐振网络，建立了新补偿网络系统的GSSA模型，并基于该模型的新型输出恒压控制方法。

实验和仿真结果表明在该控制方法下系统具有较好的鲁棒性，但该控制方法的缺陷也很明显，就是传统IPT系统因含有原副边谐振网络，其系统阶数已经很高，控制已经