一种采用测量线圈技术的感应电能传输系统调频调谐方法研究_麦瑞坤

第35卷第0期中国电机工程学报V ol.35No.0 000.00, 20162016年0月00日Proceedings of the CSEE ©2016Chin.Soc.forElec.Eng. 1 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161510文章编号：0258-8013 (2016) 00-0000-00 中图分类号：TM 46一种采用测量线圈技术的感应电能传输系统调频调谐方法研究麦瑞坤，马晓晴，陆立文，符玲(西南交通大学电气工程学院，四川省成都市 610031)AMeasurement Coil Based Receiver's Resonant Frequency Tracking Technique forIPTSystemsMAI Ruikun, MAXiaoqing, LULiwen, FULing(School of the Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan Province, China)ABSTRACT:In order to overcome the drawbacks of the resonant frequency drifting ofinductive power transfer(IPT) system due to the tolerance of the components, a measurement coil is parallel mounted with the transmitter coil to measure to phase of receiver current. Then, the phase differences of the transmitter and receiver currents is adopted as the feedback control parameters. Finally, the switching frequency of the inverter is regulated based on the resonant condition of receiver, so that not only the receiver operates under resonant condition but also the voltage gain, output power and the efficiency can be improved under all the circumstances. The control methods with and without the proposed strategy are employed to verified the performance. When the receiver appears inductive with tolerance, the maximum output power and system efficiency of proposed strategy are increased by 144.15W and 1.21%. At the same time, when the receiver appears capacitive with tolerance, the maximum output power and system efficiency of proposed strategy are increased by 245.49W and 1.72%.KEYWORDS:inductive power transfer(IPT); measurement coil;resonant condition of receiver;system efficiency摘要：为解决谐振参数容差导致感应电能传输系统(IPT)失谐现象，本文采用在原边线圈并绕测量线圈的技术，以原边回路电流与测量线圈电路电压进行矢量运算得到的两者相位差为反馈量，间接获得副边回路的谐振状态，通过控制逆变器的输出电压频率，使副边回路恢复谐振状态，增大副边基金项目：国家杰出青年科学基金(51525702)；中央高校基本科研业务费专项资金资助( 2682015CX021)。

Project Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (51525702); The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2682015CX021).回路中负载的电压增益和系统输出功率，达到提高系统的电能传输效率的目的。

实验结果表明，所采用的方法能够有效使副边回路恢复谐振状态，增大副边回路中的负载电压和系统输出功率，提高系统的电能传输效率。

相对于系统调频调谐前，在谐振参数容差导致副边回路呈感性的情况下，调频调谐后系统输出功率最大提升144.15W，传输效率最大提升1.21%；在谐振参数容差导致副边回路呈容性的情况下，调频调谐后系统输出功率最大提升245.49W，传输效率最大提升1.72%。

关键词：感应电能传输；测量线圈；副边谐振；传输效率0 引言感应电能传输(Inductive Power Transfer，IPT)是一种结合高频逆变技术与电磁感应技术，将电能转化为磁能，再将磁能转化为电能的新型能量传输方式[1-4]。

IPT技术因其能够有效避免传统接触式电能技术带来的接触火花、容易积碳与易受环境影响[5]等弊端，已广泛应用于手机设备充电、室内设备充电、轨道交通等领域，受到了国内外专家学者的广泛关注[6-9]。

随着感应电能传输技术向高效、稳定、大功率的方向发展，提高电能传输的效率成为了愈来愈关键的问题，对低能耗、高效率、绿色环保的无线电能传输技术的研究显得尤为重要。

当IPT系统副边回路呈谐振状态时，系统具有低电能损耗和高电能传输效率的特点[10-12]。

然而由于受到元件参数容差变化的影响，副边回路呈现不谐振状态，在原边回网络出版时间：2016-09-27 10:48:06网络出版地址：/kcms/detail/11.2107.TM.20160927.1048.001.html2 中国电机工程学报第35卷路电流恒定不变的情况下，副边回路中的负载分压变小，系统输出功率减少，降低了系统的电能传输效率。

现有的效率优化方法其中一种是在副边加入动态调谐装置[13-15]，通过控制副边的等效阻抗，使副边回路达到谐振状态；文献[13]采用了一种不直接测量系统阻抗的动态调谐策略，使系统的有功功率由80.87W增加到92.6W，系统传输效率由50.35%增加到77.36%，然而由于需要加入控制器和调谐装置，增加了系统的复杂程度，使得系统的传输效率不高。

另有扰动的目的；文献增加到将近80%根据文献[19]到65.3%；文献至62.2W由此测量线圈的方法，间接地判断副边回路是否处于谐振状态，在原边线圈电流恒定的情况下，通过控制逆变器输出电压的频率，使副边回路恢复或接近谐振状态，副边回路中负载分得的电压增大，系统输出功率增加，从而使IPT系统的电能传输效率得到提高。

实验结果验证了所采用的方法能够通过调节逆变器输出电压的频率有效地使副边回路恢复谐振状态，增大副边回路中的负载分压和系统输出功率，提高系统的电能传输效率。

1 基于SS电路拓扑的IPT系统分析L图1IPT系统示意图Fig.1The Schematic diagram of IPT system图1所示为基于串-串（SS）补偿方式的IPT系统。

E为恒定的输入直流电压；14Q~Q为功率P为原边PC为原SR为RR为;ω为系所示。

RR在系统实际角频率ω下，副边回路的等效阻抗SZ可以表示为S S S R+Z jX R R=+ (2)其中副边回路的等效电抗S SS1=X LCωω-。

副边对原边的反射阻抗EQZ可以表示为[22]22PSEQSMZZω= (3)原边回路中等效阻抗为PZP P P EQZ jX R Z=++ (4)第期 麦瑞坤等：一种采用测量线圈技术的IPT 系统调频调谐方法研究 3其中原边回路的等效电抗P P P1=X L C ωω-。

原边输入有功功率in P 和负载输出有功功率oP 分别为原边输入复功率in S 和负载输出复功率o S 的下，η=2 P P S S 比较副边感应电压和副边回路电流的相位的方法来判别副边回路是否处于谐振状态。

U PSR图3用受控源表示互感电压的IPT 系统等效电路 Fig.3The equivalent circuit of IPT system for representingmutual inductance voltage with controlled source本文采用在IPT 系统的原边线圈并绕一个测量线圈的方法来对副边回路是否处于谐振状态进行判别，从而对逆变器的输出电压频率进行调节。

如图4测量电路的电压为AU ；测量线圈的等效电感为A L ；原边线圈与测量线圈之间的互感为PA M ；副边线圈与测量线圈之间的互感为SA M 。

PI 的0(8)RS 与原边回路补偿电容的电压CS u 波形均为正弦波，因此由式(8)可知，副边回路电流随时间的变化率即S di dt 的变化波形是突变的。

由于已知S di dt 的变化波形是突变的，根据式(7)可知，A u 的波形也会出现相应的突变。

由式(7)可得,副边线圈感应电压SU 与副边回路电流SI的相位关系可以表示为， 2S PS P PS SA P S S A S ASA==U j M I M M I Z Z U I U j M ωωθω=∠=-(9) 其中，θ为副边线圈感应电压SU与副边回路电流与4 中国电机工程学报 第35卷SI 的相位差。

观察式(9)可知，副边线圈感应电压SU 与副边回路电流SI的相位差等于原边回路电流PI 与测量3Pω+脉宽系统调频调谐控制框图Fig.5 The control blockdiagram of a measurement coil based receiver's resonant frequency tracking technique forIPT systems图5所示为采用测量线圈技术的IPT 系统调频调谐控制框图。