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,控制已经很复杂,继续增加系统的阶数,会因其谐振频率点过多,出现频率跳跃和分叉的现象,使控制成本过高很难在实际设计中使用。
文献[38]同样在传统IPT系统中引入高阶谐振网络,与文献[37]不同的是该文使用的是LCL谐振网络。
该文对电流型全桥变换器采用移相控制,与通常使用的移相控制调节导通关断延迟角的方法不同,文中首先根据系统的互感等效模型推导出全桥变换器驱动信号的共同导通角于输出功率的关系,通过共同导通角来控制输出电压的稳定。
该控制方法的不足是在负载改变时可能使全桥变换器驱动脉冲共同导通角小于最小共同导通角,使输入滤波大电感的断流,烧毁全桥变换器的功率管。
文献[39]突破传统IPT系统工作频率必须为谐振基波频率的观念,设置系统的工作频率等于谐振频率的高次谐波频率,使用高次谐波传输能量,通过控制高次谐波的移相角,来使输出电压稳定。
此控制方法的弊端是高次谐波所能传输的能量远低于基波,且工作频率高会导致对电力电子器件的要求提高和产生的高频干扰也会增多。
1.4课题研究的目的和意义
IPT系统由于其安全性高、电源接入方式灵活多变、对运行环境要求低等优点,在野外、矿下和潮湿环境中等常规供电方式不适用的场合有非常广阔的应用前景。
但由于其结构的特殊性,原副边没有直接的电气和物理连接关系,使其不能像常规反馈控制那样将输出的状态反馈到输入侧。
因此IPT系统负载变化容易导致系统输出性能下降,需要采用合适的控制方法保证输出性能的稳定。
针对该问题目前控制方法的缺陷,本文提出一种基于恒定跨阻增益特性的原边控制方法,该控制方法保持副边输出电压稳定需要两个条件:
第一,需要保持系统原边输入直流母线电流恒定,第二,系统的工作频率等于谐振网络的恒定跨阻增益频率。
不需要将副边输出状态反馈到原边,具有控制成本低和副边电路结构简单的优点,具有一定的实用意义。
1.5论文主要工作
本文以电流型IPT系统为研究目标,针对系统负载突变时输出的稳定性问题,提出基于恒定跨阻增益特性的控制方法。
为了获得更好的系统性能,对IPT系统的重要组成部分:
非接触变压器,进行参数计算和优化设计。
最后给出了结合新型控制方法和优化后的非接触变压器参数计算方法的IPT系统参数综合设计方法,并进行了仿真和实验验证。
(1)介绍了无线电能传输系统的基本原理和结构,总结了国内外的研究现状,并针对本文的研究对象提出研究的主要问题。
(2)对电流型IPT系统的拓扑结构和工作过程做了详细的分析,基于其等效互感模型,推导出在PP补偿和PS补偿下的恒定跨阻增益和其所在频率,同时分析了其谐振网络的效率特性,为实际系统补偿方式的选择和谐振网络参数的设计提供依据。
(3)采用耦合性能更好的新型结构非接触变压器,分别从理论推导和有限元仿真两方面计算新型结构非接触变压器电感参数,在保证计算精度的基础上给出了更加快速的电感参数理论计算算法。
通过两种方法计算结果与实验结果相互验证,证明了两种计算方法的正确性和有效性。
(4)根据电流型IPT系统的恒定跨阻增益特性,设计了恒流控制系统,提出了系统输出恒压新型控制方法,并给出了基于新型控制方法的不同补偿系统参数综合设计方法。
(5)根据给出的综合设计方法设计所得不同补偿系统的参数,运用仿真软件cadence仿真验证。
先在cadence软件中建立各模块仿真电路模型,逐个仿真,然后再将各模块联合组成完整系统仿真,分析系统在不同负载和负载跳变时的稳态性能和动态性能,验证本文理论分析的正确性。
(6)建立实验样机硬件实现所设计的系统。
对主控芯片和驱动芯片以及高频逆变电路的功率器件进行选型,配置芯片相关外围电路,设计电流采样调理电路和输入滤波电感值。
依据本文设计的系统参数建立实验样机,根据实验结果验证本文理论分析的现实可行性。
第二章电流型IPT系统原理与特性分析
由绪论中可知,电流型IPT系统与电压型IPT系统相比具有对逆变器功率器件耐流能力要求低,无需短路保护,功率器件损耗低等优点。
本章以电流型IPT系统为研究对象,详细叙述了电流型IPT系统的拓扑结构和工作原理,结合其互感等效模型分析在不同补偿方式下的恒定跨阻增益特性和效率特性。
最后给出了在实际应用中根据系统参数选择补偿方式的基本原则。
2.1电流型IPT系统结构及其工作原理
电流型IPT系统主电路的逆变电路分为全桥逆变电路和推挽逆变电路,如图2.1、2.2所示[40]。
图2.1电流型推挽逆变电路结构图
Fig2.1Thecurrent-fedPush-pullinvertercircuitstructure
图2.2电流型全桥逆变电路结构图
Fig2.2Thecurrent-fedFullbridgeinvertercircuitstructure
考虑到推挽逆变电路所采用的分相变压器既笨重又昂贵,远不如全桥逆变电路使用的四个开关管来得简洁、经济,所以本文使用选择全桥逆变电路。
在图2.2电流型全桥逆变电路中:
直流电压源Uin和输入滤波电感Ldc组成等效电流源、V1~V4为电流型全桥变换器功率管、L1~L4为串联缓冲电感、VD1~VD4为环流阻断二极管、Cp和Cs分别为原、副边补偿电容、Lp和Ls分别为原、副边线圈电感、R为负载电阻、Uout为输出电压、M为原、副边线圈互感。
设原、副线圈的耦合系数为k,则k可表示为:
2.1.1电流型IPT系统工作原理
为了保证电流型IPT系统逆变电路的功率器件实现软开关,其开关频率要略大于谐振网络的谐振频率,使得谐振网络的电压相位滞后于电流相位,工作在小容性状态下。
此时逆变电路功率器件的驱动脉冲占空比需保持不变且略大于50%来保持输入滤波电感Ldc电流连续,以避免在功率器件两端产生过电压烧坏功率器件[41]。
阻断二极管一般选择没有反向恢复过程的肖特基二极管,以保证可靠阻断全桥桥臂中的环流,减小系统的损耗,使谐振电容两端电压不发生畸变。
工作过程都在理想情况下分析,因此先做以下的设定:
(1)全部功率开关管、二极管都当做理想原件分析。
(2)全部电容、电感都当做理想原件分析。
(3)在重叠导通时间内,电感Ld上的电流不断流且基本保持不变。
半个周期中共有4种工作模态,主要工作波形如图2.3所示。
各个模态的主要工作过程分析如下:
模态1[t0~t1]。
t0时刻,V1,V3开通,阻断二极管VD1、VD3导通。
由于功率器件驱动脉冲占空比大于50%,所以此时V2,V4还未关断,电感Ld电流Idc从V2,V4支路向V1,V3支路转移,电感L1、L3上流过的电流不能突变,所以V1,V3支路电流由零缓慢上升,实现两管的零电流开通。
模态2[t1~t2]。
t1时刻,V2,V4关断,Idc完全从V2,V4支路转移到了V1,V3支路,V2,V4支路电流下降到零,V1,V3支路支路电流上升到最大值后保持不变。
原边谐振网络由于并联谐振回路呈容性,原边补偿电容Cp两端滞后的容性电压降落在VD2、VD4两端,实现了V2,V4两管的零电压关断。
模态3[t2~t3]。
t2时刻,Cp两端电压将为零,然后反向增大,降落到V2,V4的两端,VD2、VD4不再承受反压。
模态4[t3~t4]。
t3时刻,Cp两端电压上升到最大值,然后反向减少,但是由于V2,V4两管有漏源间结电容的存在,使两管的电压维持在Cp电压的峰值不变,而两管与Cp间的电压差由VD2、VD4承受。
t4时刻之后,回路进入下半个周期(模态5、6、7、8),电感Ld电流Idc从V1,V3支路向V2,V4支路转移,其工作过程与前半个周期类似,本文不再赘述。
图2.3电流型全桥逆变电路主要工作波形图
Fig2.3Mainwaveformsofcurrent-fedfullbridgeinvertercircuit
2.2电流型IPT系统恒定跨阻增益特性分析
本节从电流型IPT系统互感等效电路出发,分别分析了系统在采用并/并(PP)补偿和并/串(PS)补偿时的恒定跨阻增益特性。
2.2.1PP补偿恒定跨阻增益特性分析
电流型IPT系统采用PP补偿的分离互感等效电路如图2.3所示。
图中:
Rp、Rs为原、副边线圈等效串联电阻,Zr-p为PP补偿副边折射到原边的反射阻抗。
(2-1)
其中,Zs-p为PP补偿副边等效阻抗,Zs-p=jωLs+Rs+R/(1+jωCsR)。
原边输入总阻抗Zin-p为:
(2-2)
其中,Z1=ω2M2+jω3CsR;Z2=R+jωLs-ω2LsCsR+Rs(1+jωLsR)。
图2.4PP补偿分离式互感等效电路
Fig2.4PPcompensatedseparatedmutualinductanceequivalentcircuit
由图2.4可得,副边输出电压可写成如下形式:
(2-3)
输入电感电流Idc的基波分量Iin满足下式:
(2-4)
因Rp、Rs与负载电阻R相比小的多,对跨阻增益的影响可以忽略。
由公式(2-3,2-4)可得跨阻增益为:
(2-5)
其中,Δ=jωLs(1-ω2LpCp)+jω3M2Cp,p=1-ω2LpCp,q=1-ω2LsCs。
当Δ=0时,系统的跨阻增益与负载无关,对应的恒定跨阻增益角频率ωN为:
(2-6)
系统工作在ωN时的跨阻增益为:
(2-7)
谐振网络的固有谐振频率为:
(2-8)
由式(2-8)可知,PP补偿的恒定跨阻增益频率略高于谐振网络固有谐振频率,谐振网络呈弱容性。
从上文电流型全桥变换器工作原理分析可知工作在恒定跨阻增益频率下满足其功率管的软开关条件。
2.2.2PS补偿恒定跨阻增益特性分析
电流型IPT系统采用PS补偿的分离互感等效电路如图2.5所示,图中:
Zr-s为PS补偿副边折射到原边的反射阻抗。
(2-9)
图2.5PS补偿分离式互感等效电路
Fig2.5PScompensatedseparatedmutualinductanceequivalentcircuit
PP补偿副边等效阻抗Zs-s为:
(2-10)
原边输入总阻抗Zin-s为:
(2-11)
由图2.5可得,副边输出电压可写成如下形式:
(2-12)
同样忽略Rp、Rs。
由公式(2-4,2-12)可得跨阻增益为:
(2-13)
其中,Δ=1-ω2(LpCp+LsCs)-ω4CpCs(M2-LpLs)。
当Δ=0时,系统的跨阻增益与负载无关,对应的恒定跨阻增益角频率ωH、ωL为:
(2-14)
(2-15)
由式(2-14,2-15)可知,PS补偿的恒定跨阻增益角频率ωH>ωp,谐振网络呈弱容性,满足电流型全桥功率管的软开关条件,而ωL<ωp,谐振网络呈弱感性,不能满足电流型全桥功率管的软开关条件,所以当系统选择PS补偿时,设置的恒定跨阻增益角频率为ωH,相应的跨阻增益为:
(2-16)
2.3电流型IPT系统谐振网络效率分析
传输效率是IPT系统一项重要的性能指标,电流型IPT系统的有功损耗主要集中在谐振网络中,本部分通过分析PP和PS谐振网络的效率特性,并根据实际系统参数比较在使用不同补偿网络时的效率,从而为实际系统设计中补偿网络的选择和参数设计提供依据。
2.3.1PP谐振网络效率分析
由于谐振电感线圈的等效串联电阻比谐振补偿电容的等
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