1、基于雙激勵雙拾取的無線電能傳輸系統傳輸功率策略1，1，1,2（1 重慶大學、自動化學院，重慶 400044 2 中國賽寶，廣州，510610）摘要：傳統的無線電能傳輸系統（即 Wirelesser Transfer，WPT）多由單個激勵線圈與單個拾取線圈組成，由于系統的耦合機構多為松散的耦合形式，且受到功率器件容量的限制，因此難以獲得較大的傳輸功率。為了提高 WPT 系統的傳輸功率，該文構建了雙激勵雙拾取線圈的無線電能傳輸系統（即 Double Primary Coils and Doublck-up Coils Wirelesser Transmis），在原 WPT 系統的基礎上，增加了一組

2、激勵線圈和一組拾取線圈，利用耦合理論和電路原理的相關知識對該系統進行分析，然后通過仿真及實驗驗證了所提方案的可靠性和有效性。最后得出結論，在負載選擇 5時，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統相比較于 WPT 系統，其功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。：無線電能傳輸；雙激勵雙拾取線圈；大功率；效率er Enhancement Strategy for WPT System based on Double Primary Coilsand Doublck-up CoilsDAI Xin1, WU Jinde1, SUN Yue1, HU Jianyao2(1. School of Chongqi

3、ng University, 400044, China; 2. The fifth electronic research institute of MIIT, 510610, China)Abstract: The traditional WPT(Wirelesser Transfer) system usually comprises single primary coil and singlck-up coil, which is difficult toobtain larger transmiser for its loosely-coupled structure and cap

4、acity limi ion of theer device. In order to improve the transmiser of WPT system, this pr builds a WPT system of double primary coils and doublck-up coils (Double Primary Coils And Doublck-upCoils Wirelesser Transmis). Based on the original WPT system, which added a pair of primary coil and ck-up co

5、il,yzed the systemusing knowledge of coupling theory and circuit principle, and then validated the reliability and validity of the strategy proed through thesimulations and experiments. Finally, theis drawnt when the load is 5, the transmiser of the WPT system with doubleprind doublckup coil increas

6、ed by 3.1 times and the efficiency increased by 9%, compared with the WPT system.Key words: Wirelesser Transfer; double primary coils and doublck-up coils;er; efficiency基于雙激勵雙拾取的無線電能傳輸系統傳輸功率策略引言隨著社會的發展和科技的進步，無線電能傳輸技術越來越受到人們的關注，并且逐漸被廣泛地應用于諸多領域1-4。WPT 技術是一項基于電磁感應原理的新型電能傳輸技術，它利用初級線圈中的交變電流在空間中產生交變磁場，次級線

7、圈捕獲空間中的交變磁場并產生交變電壓，從而實現電能的非接觸式傳輸5-8。基于雙激勵雙拾取的無線電能傳輸系統傳輸功率策略WPT 技術作為一種新型的供電模式，可以滿足某些線圈的無線電能傳輸系統，并詳細分析了其結構與工作特殊環境(潮濕、高溫)的需求，可以避免因導線磨損導原理。考慮雙激勵雙拾取線圈之間的交叉耦合，通過選致的的漏電、開路等安全隱患，可以避免傳統接觸式電取合適的補償電容，使系統工作在諧振狀態，保證其最能傳輸的一些問題（如接觸火花等），具有適應環境能力強、安全環保等諸多優勢9-11。目前，WPT 技術已經逐步從小功率的日常家用設備擴展到中大功率的電動汽車12、軌道機車13，當 WPT系統為大

8、功率用電設備提供電能時，要求實現電能的大功率傳輸14。理論上，可以通過提高初、次級線圈間的耦合系數以及提高系統的頻率來達到提高 WPT 系統的大功率傳輸，然后通過仿真分析以及實驗研究，最后得出結論，在負載選擇 5時，雙激勵雙拾取線圈的 WPT系統相比較于 WPT 系統，其功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。1 雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的結構設計和理論分析傳輸功率的目的。然而，在實際的應用中，初級線圈與1.1 雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統次級線圈之間的耦合系數較小，并且如果要提高初、次雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統結構示意圖如圖 1級線圈的自感，就必然會增加線圈匝數，增大其串聯的

9、所示，圖中Cp1 與Cp 2 為原邊的補償電容，Cs1 與Cs 2 為等效電阻，從而使系統損耗增大，提高輸出功率同時也會帶來電壓電流應力的急劇增加，受到電路率器件副邊的補償電容， L 與L為原邊自感， L 與L 為p1p 2s1s 2容量的限制，難以較大幅度的提高15輸出功率，因此亟副邊自感，Rp1 與Rp 2 為原邊電感的內阻，Rs1 與Rs 2 為需對無線電能傳輸系統多對多的傳輸拓撲進行研究。文獻16提出了一種雙初級線圈并繞的無線電能傳輸模式，該方法不僅能使各逆變器工作在諧振狀態，而副邊電感的內阻，U p1 與Up 2 為原邊諧振網絡的電壓，且還可以有效分配兩逆變器的輸出功率，達到合理分配

10、1 與 2 為原邊諧振電流，Us1 與Us 2 為副邊諧振網絡輸出容量的目的。但是，該種方式并不能有效提高系統的電壓，Is1 與Is 2 為副邊諧振電流，Rl1 與Rl 2 為接入負的傳輸功率。文獻17構建了一種基于雙拾取線圈的無線電能傳輸系統，通過對系統的分析表明，該方式能顯著載，其電壓為UR1 與UR 2 ，M11 為兩原邊電感之間的互提高重載時 WPT 系統的輸出功率和工作效率，但是該種方式只是相較于不考慮副邊之間互感時，考慮副邊之感，M 22 為兩副邊電感之間的互感，M p1 為原邊 1 與副間互感會使其輸出功率和工作效率有所提高，并不能真邊 1 之間的互感， M p 2 為原邊 2

11、與副邊 2 之間的互感，正達到提高輸出功率和工作效率的目的。文獻18分析了多個 WPT 系統共同運行時的情況，線圈間的互感會影響系統的輸出功率和工作效率。M1 為原邊 1 與副邊 2 之間的互感， M 2 為原邊 2 與副本文在以上研究的基礎上構建了一種雙激勵雙拾取邊 1 之間的互感。基于雙激勵雙拾取的無線電能傳輸系統傳輸功率策略一般來說在串聯諧振補償電路中整流橋前的交流電阻與整流橋后的直流電阻間的等效關系可表示為：8R R（1）1 2l18（ 10 ）不計初級線圈及拾取線圈的內阻，即R R（2）2 2l 2Rp1 Rp2 Rs1 Rs2 0 。D1D2L1Q1Is1根據假設，化簡（3）式得：

12、Ip1+Us1Mp1Cs1+Up1-Ls1RL1E1Lp1Cp1- .U p j(Lp M11) I p j(M p M ) IsQ3Q4Rp1D3D4（4）1.(M M ) I j(L M 0 j) Is Is RM1M22M11pps222 CM2sL2D5D6Q5令副邊的諧振補償電容補償自感及副邊之間的互感，Is2Ip2+Us2-+Up2-Mp2Cs2Ls2E2Cp2 Lp2RL2即令：Q7Q8Rp2D7D81Ls M 22 2C 0（5）s計算得其副邊諧振補償電容Cs 為：圖 1 基于雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統結構圖Fig.1 WPT system structure based

13、on double primary coils and1 2 (L M )Cs（6）doublck-up coilss221.2 系統分析則（5）式代入（4）式中，則（4）式可化簡為：根據互感耦合原理和 KVL 定律列出如下所示電壓U p j(L M ) I j(M M ) I電流關系的相量矩陣：p11pps（7）0 j(M p M ) I p Is R jLp1 Rp1jM11jM p1jM1 IUjM jL RjM jM p1 p1 11p 2 p 22p 2 I p 2 解該向量矩陣到電流為：U1 jM jM R jL R jM p 2 I 0 p12s1s1jC 122 s1 s1 0

14、 1 I s 2 jM jM jM R jL R2 IU1p 222s 2s 2jC s 2 I I p p1p 2p2 (M M )2 L M （8）pj(3)p11Rj(M p M )基于雙激勵雙拾取線圈，現做出下列假設：Is I pR（1） Lp1 Lp2 Lp ；（2） Ls1 Ls 2 Ls ；根據（8），可以推導出原邊諧振回路電感支路的阻抗為：（3） Mp1 Mp2 Mp ；（4） M1 M2 M ；2 (M M )2 （9 ） L MZ Z ZpRjrsrs1rs 2p11（5）Up1 Up2 Up ；（6）從式（9）可以看出，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統原邊諧振回路的電感支

15、路的等效阻抗是一個純電阻和一個感性阻抗的和 ， 且該感性阻抗的值 是 j(Lp M11 ) ，是由原邊電感線圈本身和它與另一原邊線圈之間的互感值決定的。為了使系統能夠獲得最大的傳輸功率，可以通過原邊補償電容Cp 使系統工作在） Is1 Is 2 Is ；（7）（9） R1 R2 R ；Q6Q2Cp 為：諧振狀態，計算WPT 系統負載等效電阻一般遠大于副邊電感的等Lp M11效內阻，即R R ，則式（16）可化簡為：（10）C sp2 2 M p M 2 2 L2M1 p11R（17）RRp12 (M M )2此時系統每個副邊的輸出的最大功率容量P為pmax2 (M M )2從式(17)可以看出

16、，與 WPT 系樣，雙激勵雙拾P P2R p2 （11）Imax1maxpRs取線圈的 WPT 系統的效率值是由系統副邊與兩個原邊雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統原邊諧振網絡的損的互感耦合值M p 和M 、原邊線圈的內阻Rp 、系統原邊工作頻率 和輸出負載R 共同影響的，與原邊兩輸入耗P1 是兩組原邊諧振網絡損耗的疊加，而兩組原邊諧振電流值相等，因此有：線圈之間的互感值M11 無關。2 R（12）p p表1 是對WPT 系統和雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統的關鍵參數的對比。通過對比可以發現，相較于 WPT系統，雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統的功率提高顯著，副邊諧振網絡的損耗 P2 則主要是兩組

17、副邊電感內阻的損耗，有其效率值也有了一定的提高。2 M M I 表 1 WPT 系統與雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統關鍵參數對比2 2pp 2 RR （13）s sR RsTab 1 The comparison of critical parameters betn WPTssystem and Double Primary Coils and Doublck-up Coils Wirelesser Transmissystem設Po 為負載輸出功率，當考慮副邊電感內阻時，其參數WPT系統雙激勵雙拾取線圈的WPT系統UpUp值為原邊諧22 M 2 2 (M M ) 2 L M L 22 p

18、 振電流Ip M M I p112pRRpp 2 2R 2R（14）MI (M M )IsRs R副邊感ppp應電流IRMI Rs 為系統的總體效率。根據 WPT 系統的傳輸功率和效率特性，效率表達式為輸出功率與系統總輸出功率22(M M )I輸出功率Ppp R1p R1之比，即：1 RRp RRp 2 M 2系統效率1 2 (M M )2Pp o（15）Po P1 P2 13）與（14）代入（15）中， 將（12）、（：2 M M 2 RpP（16） o Po P1 P2 2 M MR R R R R 22psps2 實驗驗證2.1 仿真分析WPT 系統和雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統分別采

19、用采用表2 和表3 所示的系統參數進行仿真，即：表 2 WPT 系統的參數設置Tab 2 Main parameters of simulation WPT system圖 3 兩系統輸出功率隨頻率變化的關系Fig.3 Relation betn outputer and frequency of the two表 3 雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的參數設置systems由圖 2 可以看出，當系統頻率為 30KHz，負載電阻由 0變化到 20時，兩個系統的功率關于負載都是先增大后減小，當負載電阻小于 1.5時，WPT 系統的功Tab 3 Main parameters of simulat

20、ion Double Primary Coils andDoublck-up Coils Wirelesser Transmissystem率略大，但是隨著負載的繼續增大，WPT 系統的輸出功率迅速衰減，而雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的輸出由仿真，分別得出其輸出功率關于負載和頻功率衰減較慢，且每個副邊的輸出功率為 WPT 系統的3-4 倍。可以看出，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統在負率變化的仿真示意圖以及其效率關于負載和頻率變化的仿真示意圖，其示意圖如圖 2 到圖 5 所示。載較大的情況下，其功率更加明顯。由圖 3 可以看出，當負載電阻為 10時，系統頻率由 20KHz 變化到40KHz

21、 時，WPT 系統的輸出功率維持在 2.4W，雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統每個副邊的輸出功率由8.9W 下降到 8.2W，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統每個副邊的輸出功率是WPT 系統的 3-4 倍。綜合圖 2 及圖 3 可以看出，兩者對于頻率變化不敏感，相較于 WPT 系統，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的輸出功率在較大負載時明顯。圖 2 兩系統輸出功率隨負載變化的關系Fig.2 Relation betn outputer and load R of the twosystems參數取值參數取值Lp116HRp0.13Rdc0.15M113HE30VMp17HLs210HRs0.2L

22、dc1mHM17HM223H參數取值參數取值Lp116HRp0.13Rdc0.15E30VLs210HRs0.2Ldc1mHM17H的作用。2.2 實驗分析按照圖 1 搭建如圖 6 所示的實驗模型，并采用表 4和表5 作為WPT 系統和雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統的實驗參數，經過實驗，最終得到如圖 8 到圖 11 所示的波形圖。圖 4 兩系統效率隨負載變化的關系Fig.4 Relation betn efficiency and load R of the圖 6 實驗裝置圖Fig.6 Experimental set-up diagra圖 5 兩系統效率隨頻率變化的關系 原邊發射線圈Lp1

23、Fig.5 Relation betn efficiency and frequency of the twosystems由圖 4 可以看出，當系統頻率為 30KHz，負載電阻 副邊接受線圈Ls1 副邊接受線圈Ls2 原邊發射線圈Lp2 由 5變化到 20時，WPT 系統的效率由 95%降低到83%，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的效率由 99%降低到 95%，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的效率始終圖 7 原邊線圈和副邊線圈Fig.7 The primary coils and the secondary coil表 4 WPT 系統的參數設置Tab 4 Main parameters

24、 of WPT system大于 WPT 系統，且衰度較慢。由圖 5 可以看出，當負載電阻為10時，系統頻率由20KHz 變化到40KHz時，WPT 系統的效率由 81.5%提高到 94.5%，雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統的效率由 94.5%提高到 98.5%，且雙激勵雙拾取線圈的WPT 系統的效率始終大于WPT 系統，綜合圖 4 及圖 5 可以看出，不管負載與頻率如何變化，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統對于效率都有明顯表 5 雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統參數設置參數取值參數取值Lp116HRp0 13Cp0.54FRdc0 15E30VM17HLs210HRs0 2Cs0.3FLdc

25、1mHRL5整流橋兩組副邊諧振電路負載兩組原邊諧振電路FPGA兩組逆變電路Tab 5 Main parameters of Primary Coils and Doublck-upCoils Wirelesser Transmissystem圖 11 雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統副邊拾取電壓和電流Fig.11 The secondary resonant voltage and current of double primarycoils and doublck-up coils system由圖 8 及圖 9 可以看出，WPT 系統原邊諧振電壓的有效值為 34.3V，諧振電流的有效值為

26、2.3A，其副邊整流后的電流為 945mA，系統的輸入電壓為 30V，輸入電流為175mA，則系統的輸出功率為4.47W，其效率為85%，由圖 10 及圖 11 可以看出，雙激勵雙拾取線圈的 WPT系統兩個原邊的諧振電壓為 31.1V，諧振電流為 2.18A，圖 8 WPT 系統原邊諧振網絡電壓和電流Fig.8 The input voltage and current of WPT systems primary resonant network其副邊整流后的電流均為1.65A，系統的輸入電壓為30V，輸入電流為 965mA，則系統每個副邊的輸出功率為 13.61W，系統的效率為 94%，綜

27、合以上分析可以看出，相較于WPT 系統，雙激勵雙拾取線圈的 WPT 系統的功率了 3.1 倍，效率提高了 9%。圖 9 WPT 系統副邊拾取電壓和電流Fig.9 The secondary resonant voltage and current of WPT system3 結論本文構建了一種雙激勵雙拾取線圈的WPT系統模型，并對其進行了理論分析、仿真分析以及實驗驗證。本文首先利用電磁感應理論和電路原理的相關知識建立了基于雙激勵雙拾取線圈的WPT系統模型，并利用原邊及副邊補償電容使系統工作在完全諧振狀態，從而保證系統能以最大功率傳輸，同時得到了系統的功率模型和圖 10 雙激勵雙拾取線圈的 W

28、PT 系統原邊諧振網絡電壓和電流Fig.10 The input voltage and current of double primary coils and效率模型，然后通過公式推導、仿真分析以及實驗驗證對兩種系統進行了比較，最后得出結論，在負載選擇5時，雙激勵雙拾取線圈的WPT系統相比較于WPT系統，doublck-up coils systems primary resonant network參數取值參數取值Lp116HRp0.13Cp0 52FRdc0.15M113HE30VMp17HLs210HRs0.2Cs0 3FLdc1mHM17HRl5M223H其功率了3.1倍，效率提高了

29、9%。Chi).6趙,. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新參考文獻：進展J. 中國電機工程學報,2013,(03):1-13+21.1,王智慧,，等.非接觸電能傳輸系統的頻率穩定性研Zhao Zhengming, Zhang Yiming, Chen Kainan.New progress of究J. 電工技術學報,2005,(11):56-59.magnetically-coupledresonantwirelessertransferSun Yue, Wang Zhihui,Dai Xin et al.Study of frequency stabilitytechnologyJ. Tran

30、ions of China Electrotechnical Society,of contactlesser transmissystemJ. Tranions of2013, 33(3): 1-13(in Chi).China ElectroTechnical Society, 2005, 20(11):56-59(in7,，等. 基于 LCL 諧振型感應耦合電能傳輸Chi)系統J. 中國電機工程學報,2013,(33):9-16+2.2,王智慧,，等.非接觸供電移相控制系統建模研究Zhou Hao, Yao Gang, Zhao Ziyu, et al.LCL resonant indu

31、ctivelyJ.電工技術學報,2008,(07):92-97.coupleder transfer systems J. Tranions of ChinaSu Yugang, Wang Zhihui, Sun Yue, et al. Ming of contactlessElectrotechnical Society, 2013, 33(33): 9-16+2(in Chi).er transfer systems with a phase-shifted control methodJ.8,王智慧，等. 用于感應電能傳輸系統的新型軟開Tranions of China Electro

32、Technical Society, 2008, 23(7):關電路J. 電工技術學報,2013,(08):128-134.92-97(in Chi)Sun Yue, Zhao Zhibin, Wang Zhihui, et al.A new circuit of3,，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的soft-switching inductiveer transfer systemJ. Tranions of最大效率分析與設計J.中國電機工程學報,2009,(18):21-26.China Electrotechnical Society, 2013, 28(8): 128-134(in

33、Chi).Fu Wenzhen, Zhang Bo, Qiu Dongyuan, et al.um9,章鵬程,，等. 無線電能傳輸技術的關鍵基礎與efficiencyysis and design of self-resonance coupling coils for技術瓶頸問題J. 電工技術學報,2015,(05):1-8.wirelesser transmissystemJ. Proceedings of the CSEE,Qingxin,Zhang Pengcheng, Zhu Lihua, et al.Key2009, 29(18): 21-26(in Chi).fundamenta

34、l problems and technical bottlenecks of the wireless4Chwei-Sen Wang, G. A. Covic and O. H. Stielau, erer transmistechnologyJ. Tranions of Chinatransfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupledElectrotechnical Society, 2015, 30(5): 1-8(in Chi).inductiveer transfer systems, in IEEE Tran

35、ions on10,，等. 無線電能傳輸技術研究與應用綜述Industrial Electronics, vol. 51, no. 1, pp. 148-157, Feb. 2004.J. 電工技術學報,2013,(10):1-11.5,史,李. 感應耦合電能傳輸系統輸出功率調節Huang Xueliang,Tan Linlin,Chen Zhong,et al.Review and方法J. 電工技術學報,2014,(01):215-220.research progress on wirelesser transfer technologyJ.Cai Hua ,Shi Liming ,Li

36、Yaohua .Outputer adjustment inTranions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(10):inductively coupleder transfer systemJ .Tranions of1-11(in Chi).China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 215-220(in11,. 無線電能傳輸技術的研究現狀與應用J. 中國電機工程學報,2015,(10):2584-2600.Mai Ruikun, Ma Linsen. Research on Induc

37、tiveer TransferFan Xingming, Mo Xiaoyong, Zhang Xin.Research s us andSystems With Dualck-up CoilsJ. Tranions of Chinaapplication of wirelesser transmistechnologyJ.ElectrotechnicalSociety,2016,(19):5192-5199(inProceedings of the CSEE, 2015, 35(10): 2584-2600(in Chi).Chi).12S. Y. Choi, B. W. Gu, S. Y. Jeong and C. T. Rim, Advanin18景無為,，等. 多組無線電能傳輸系統間效率影響Wirelesser Transfer Systems for Roadway-ered分析J. 電工技術學報,2015,(14):457-462.Electric Vehicles, in IEEE