电流型IPT系统新型输出恒压控制方法研究.pdf

研 究 与 开 发 电流型 I P T系统新型输出恒压控制方法研究 阚超 豪 朱晓威程 源 ( 合肥工业大学电气与 自动化工程学院，合肥 2 3 0 0 0 9 ) 摘要 针对 电流型感应 电能传输 ( I P T)系统负载变化时输 出电压的稳定性问题，提出一种基 于恒定跨阻增益特性的原边控制方法。以电流型 I P T系统采用初次级并联 ( P P)补偿为研究对象， 建 立其互感等效电路并进行分析，推导出在特定工作条件下该拓扑具有恒定跨 阻增益特性。并进 一 步分析了P P补偿谐振网络的效率特性， 优化谐振网络参数使系统恒定跨阻增益频率为效率最优 频率。为保持原边输入直流母线电流恒定 ，在传统电流型感应 电能传输拓扑 中加入恒流控制系统， 并阐述 了恒流控制原理。本文还提 出了基于新型控制方法在给定条件下的 1 P T系统综合设计方法。 最后，设计一台 8 0 W 样机，实验结果与理论分析 良好吻合，验证 了论文所提控制方法的正确性。 关键词 ：电流型感应电能传输；恒定跨阻增益；效率优化；恒流；非接触变压器 Re s e a r c h o n No v e l Co n s t a n t - v o l t a g e Ou t p u t Co n t r o l M e t h o d f o r Cur r e n t - f e d I PT S y s t e m Ka n Ch a o h ao Zh u Xi a o we i Che n g Y u a n ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l &Au t o ma t i c E n g i n e e r i n g ， He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , He f e i 2 3 0 0 0 9 1 Ab s t r a c t T h e c u r r e n t f e d i n d u c t i v e l y p o we r t r a n s f e r( I P T )s y s t e m，a i mi n g a t t h e O u t p u t Vo l t a g e i ns t a bi l i t y p r o b l e m o n a d y n a mi c l o a d， ba s e d o n t he c o ns t a n t t r a n s i mp e d a n c e g a i n c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e pr i ma r y s i d e c o n t r ol me t h o d i s p r op o s e d Ta k i n g c ur r e nt - f e d I PT s ys t e m wi t h p a r a l l e l p r i ma r y a n d p a r a l l e l s e c o n d a r y( P P )c o mp e n s a t e a s a n o b j e c t ， b y b u i l d i n g a n d a n a l y z i n g t h e mu t ua l i n du c t a nc e e q u i v a l e nt c i r c ui t ，ha d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n s t a nt t r a ns i mpe d a nc e g a i n u n d e r c e r t a i n wo r ki ng c o n d i t i o ns a r e de r i v a t e d And t h e e ffi c i e nc y c h a r a c t e r i s t i c s o f PP c o mpe ns a t e d r e s o n a nt ne t wo r k a r e a na l y z e d ， o pt i mi z a t i o n o f r e s o n a n t ne t wo r k p a r a me t e r s ma ke t h e s ys t e m c o n s t a n t - t r a n s i mp e d a n c e g a i n fre q u e n c y f o r t h e e ffi c i e n c y o f t h e o pt i ma l fre q u e nc y I n o r d e r t o ma i nt a i n t h e c o ns t a n t i n p ut b us c urre n t ， t h e c o ns t a n t c ur r e nt c o n t r o l s ys t e m i s a d de d i n t h e t r a d i t i o na l c u r r e n t f e d I PT t o po l o g y ,a n d t he pr i n c i p l e o f c o n s t a nt c u r r e n t c o n t r o l i s d e s c r i b e d Th i s pa pe r g a v e d e s i g n s t e ps b a s e d on t h e no v e l c on t r ol m e t h od un d e r g i ve n c o n di t i o n s Fi na l l y ， d e s i g n e d a 8 0 W p r o t o t y pe ， t h e e x pe r i me n t a l r e s u l t s a r e i n g oo d a g r e e me n t wi t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a nd t he c o r r e c t ne s s o f t he c i r c u i t t o po l o g y a n d c o n t r o l s t r a t e g y i s v e r i fie d K e y wo r d s c u r r e n t - fed I PT s y s t e m； c o ns t a n t t r a ns i mp e d a n c e g a i n ；e ffi c i e nc y o p t i m i z a t i o n； c o ns t a nt c u r r e n t ： c o n t a c t l e s s t r a n s f or me r I P T系统是基于电磁感应原理实现 “ 无线供 电” 的新型电能传输模式，与传统供电模式相比，具有 安全、灵活、环境适应能力强等优点。在 电动汽车、 小家 电以及易燃 易爆、水下等特殊环境的用 电设备 等方面 有广 阔 的应用前 景 引 。 I P T系统负载变化容易导致系统输 出性能下降， 因此 需 要 采 用 合 适 的 控 制 方 法 保 证 输 出 性 能 的 稳 7 8 l 电 气 技 7lt 2 0 1 6 年 第 1 1 期 定 。对 于 电流 型 I P T系统 文献 6 提 出在副边 增加 相 控 电抗器，通过控制相控 电抗器的导通延迟角来改 变导通 电流大小，使负载端获得稳定的输出电压 。 文献 7 的控制方法是采用副边加入 B o o s t 环节调压 来实现原、副边解耦 。以上控制方法虽然都能够实 现 在 一定 负载范 围内输 出稳压 ，但 增加 了系 统 的控 制成本 和副边 电路 结构 的复杂性 。 国家 自然科学基金资助项 目 ( 5 1 3 7 7 0 4 0 ) 在此提出基于电流型 I P T系统恒定跨阻增益特 性 的原边控制方法。恒定跨阻增益特性是指系统工 作 在恒 定跨 阻增 益频 率下 ，只要 保证 系统 原边输 入 直流母线电流恒定，副边输出电压即恒定的特性。 该控制 方法 具有 控制 成本低 和副 边 电路结 构简 单 的 优点。 以 P P补偿为例分析了其恒定跨阻增益特性和 谐振网络效率特性，优化谐振网络参数使系统的恒 定跨阻增益频率为效率最优频率。同时，在系统输 入 电源 端加入 B u c k变换 器 ， 通过控 制其 占空 比保持 输入 直流 母线 电流等 于设 置 的恒 流控 制 目标 。本文 从恒流 控制 目标 出发 ，提 出 了基 于 新型控 制方 法在 给定变压器材料和尺寸、气隙、输入输出E 压、效 率 最优 、最 大输 出功 率条件 下包 括谐振 网络 参数 、 恒流控制 目标和非接触变压器设计在 内的 I P T系统 综 合设 计方法 。 1 系统原理与恒定跨阻增益特性分析 1 1 电流型 P P补偿 I P T系 统结构 电流型 P P补偿 I P T系统包括原边与副边两部 分，系统结构如图 1 所示，原边主要包括 由直流电 压源 和输入滤波电感 d 。 组成的等效电流源、高 频 逆变 功率 管 v1 v4 、串联 缓冲 电感 1 一 己 4 、环流 阻断二极管 V D -VD 4 、原边补偿电容 及原边发 射线圈电感 。副边主要包括副边接收线圈电感 副边补偿 电容 及负载 。 为原、 副边线圈互感， k为原、 副边线圈耦合系数， 可表示为： 尼 = 。 图 1 P P补 偿 I P T系统结构 1 2 恒定跨阻增益特性分析 根 据互 感模 型法对 主 电路进 行分 析 ， 电流型 I P T 系统采用 P P补偿 的分离互感等效电路如图 2所示。 图 2中：风、R 为原、副边线圈等效串联电阻，Z r 为副边折射会原边的反射阻抗。 Z r =0 9 M Z s ( 1 ) 研 究 与开 发 式 中， 为副边 等效 阻抗 ， Z s = j a L + R + R d+ j c o C R ) 。 原边输入总阻抗 Z i 为 Z ； 兰 ! ! ： ( 2 ) n j Z 1 + Z 2 1 + j C P 一 J 式 中，z l = 缈 + j C R；z 2 = 广 j c o l 一 L C 尺+ R ( 1 + j o g L 。 R ) 。 由图2可得，副边输出电压可表示为 Uo u t= j o 丽 M p R ( 3 ) 原边输入电 流 的 基波分量t 为 f I = 2 、 ， 一 n in - u 1 t ： 1 一 ： + j国 C p ( + ) 由于 R R 与负载 电阻 相 比很小 ，对跨 阻增 益影响很小， 为了便于分析， 忽略其影响。 由式 ( 3 ) 、 惜 dc 2qr2coM (5 ) 式 中，A = j o L ( 1 一 C p ) + j ( D 3 M2 C p ，p = 1 一 ， q =l 一 三。 C 。 当 = 0 时 ，系统 的跨 阻增益 与 负载 无关 ，对应 ( 6) 相应 的跨 阻增 益为 、 2 V Z m M ( 7) 兀 lq 一 L D 【 s l r 7、 由式 ( 6 )可知 ，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，满足 逆变 功率管的软开关条件 。 2 0 1 6 年 第1 1 期 电 技术l 7 9 研 究 与开 发 2 谐振网络效率优化分析 3恒流控制系统设计 P P补偿 I P T系统的有功损耗主要集中在谐振网 络中， 本部分通过分析 P P谐振网络 的效率特性， 结 合其恒定跨