合谐振型非接触电能双向传输模式
时间：2022-10-18 07:19:25
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（50807057）；重庆市国际科技合作计划项目（CSTC，2011GGHZA40001）
作者简介： 戴欣（1978-），男，副教授，博士，研究方向为非接触电能传输技术，E-mail：
文章编号： 0258-2724（2013）03-0487-08DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.015
摘要：
针对单级谐振的双向电能传输方式所存在的谐振容量小及器件应力大等缺点，提出一种基于LCL复合谐振的对称拓扑双向电能传输模式.建立了系统的交流阻抗模型，推导了系统输入输出增益，并分析了不同负载下系统的频率响应及不同负载与耦合系数下输出功率特性.在此基础上，给出一种基于能量注入和自由振荡双工作模式切换的输出电压调节方法，并给出一种切换占空比控制方法以保证输出电压的恒定.仿真与实验数据表明：基于双工作模式的双向电能传输模式能有效地实现能量双向传输，输出的电压纹波始终小于0.3 V，同时该模式还具有相对简单、易于实现的特点.
关键词：
LCL；双向；非接触；电能传输
中图分类号： TM712文献标志码： A
非接触电能传输技术是一种新型电能传输模式.该技术以高频电磁场为媒介完成电能的无接触传输，可以克服传统直接电气接触方式所带来的灵活性差及安全性低的问题，从而赋予用电设备更高的灵活性与可靠性[1-9].
在传统的电能传输方式中，由于系统结构的限制，只能实现单向的能量传递.这在一些需要能量回馈或双向电能补给的场合显得尤其不便.文献[10]提出了一种双向电能传输方式，该方式借助于单级谐振的对称拓扑实现能量的双向传输.由于采用对称结构，原、副边的工作模式可相互进行切换，从而动态完成能量的双向传输过程.
然而，在采用单级谐振的双向电能传输模式中，由于单级谐振的容量较小，在运行过程中容易受到负载及各种环境参数影响而导致功率传输能力及效率下降.而且，单级谐振模式容易在逆变电路中产生较大的电压、电流应力[11-15].这些缺点在一定程度上阻碍了其在大功率双向电能传输技术中的应用.
针对这种问题，本文提出基于LCL型复合谐振的双向电能变换拓扑，该拓扑将LCL型谐振引入到双向电能拓扑中，其特点是：（1） 具有比单级LC谐振更大的谐振容量；（2） 负载适应性强，谐振频率漂移小；（3） 在同等功率等级下，开关器件的电压、电流应力更小.因此，这种双向电能传输模式更能适应于电动车供电场合，使其更具高效性.
本文针对所提出的LCL型双向电能拓扑，详细介绍了其工作原理，并建立了系统的交流阻抗模型，分析了系统的输入/输出增益及输出功率特性.在此基础上引入工作模式切换占空比，提出基于能量注入及自由振荡模式的输出电压控制方法，最后利用仿真及实验结果验证了其可行性.
1
LCL型双向电能变换拓扑工作原理
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系统传递函数分析
3
系统性能分析
实现双向能量传输一个重要的问题是如何保证输入至输出的电压具有足够大的增益，以满足不同的负载需求.借助于式（8）所给出的系统传递函数，对系统进行增益分析.所采用的参数如表1所示.
4
输出控制模式
为实现对输出电压的调节，本文采用能量注入与自由振荡结合的双工作模式进行控制.因为非接触电能传输系统是一种典型的能量耗散系统.其中能量注入模式通过外界向能量传输系统注入能量，以补充其能量耗散.其工作原理与第1节所述能量传输过程相同，如图5所示.
而能量自由振荡模式主要用于在系统能量出现过剩时（表现为输出电压超过参考值），利用该模式切断外界能量注入，而让系统中存储的能量维持系统输出，从而耗散掉部分多余的能量，其工作原理如图6所示
5
仿真分析
为验证上述LCL型双向高频交流电能变换拓扑及控制方法的有效性，以下基于Matlab环境进行仿真分析.
电能传输模式设计为从P端传输至S端（正向传输），系统仿真时间设置为0～60 ms，当系统进入稳态后，P端谐振电容电压与S端谐振电容电压的波形（30.00～30.10 ms）如图8所示.
以上仿真结果表明，对于LCL型双向电能传输拓扑，无论是正向传输还是反向传输，总可以通过双工作模式的切换，使得输出电压保持恒定，所产生的谐振电压和谐振电流的波形畸变处于能被接受的范围内，有利于提高能量传输效率，并降低对外界的EMI（electro magnetic interference）干扰.
6
实验研究
7
结论
本文提出了一种基于LCL复合谐振型的双向非接触电能传输模式.该模式可以有效地增加双向电能传输系统的谐振容量，提升其功率传输能力.论文通过建立系统阻抗模型，分析了系统的传输增益.通过系统频率响应及输出功率曲线完成系统性能分析.提出一种基于工作模式占空比的输出电压控制方法，保证了输出电压的恒定.该技术可广泛应用于大功率非接触电能传输系统，如电动车和车间搬运车辆.基于该技术可实现电动车动态电能回馈，保证系统能量传输的高效性.
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