恒压输出的无线电能传输系统设计
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１０４６．
（上接第１６页）附近波动。当，Ｌ＜ｋ时，蓄电池（串联
一个采样电阻）充电电流波形如图５ｂ所示，ＶＳ，
的ＰＷＭ波信号如图５ｃ所示。当，Ｌ＞ｋ时，蓄电池
给负载供电，ＶＳ：的ＰＷＭ波信号如图５ｄ所示。
ＤＣ／ＤＣ变换器进行处理，因此．整个光伏发电系统 的效率就要依赖于ＤＣ／ＤＣ变换器的效率。这里提 出了一种新型ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构．并将 ＭＰＰＴ电路与之并联，这样仅有少部分光伏板产生 的电能经过该ＤＣ／ＤＣ变换器．可大大提高光伏板 的利用效率。
５ １１／ｍ１１：５ ２０ ２５
图５不同传输距离下输出电压
５结 论
利用可分离变压器的互感模型对无线电能传 输系统进行了建模。由此得出线圈匝数影响传输 效率；同时利用初级串联补偿。次级并联补偿方式 具有输出电压不随负载改变的特性提出了两级结 构，初级频率跟踪实现能量利用最大化。次级电压 调节，实现了较大传输距离范围内输出的恒定。
参考文献
【１】Ｃ Ｃ Ｔｓａｉ，Ｂ Ｓ Ｃｈｅｎ，Ｃ Ｍ Ｔｓａｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｒｉｍ一 ∞ｕｔａｎｅｏｕｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｏｔａｌｌｙ Ａｒｔｉ－ ｆｉｅｉａｌ Ｈｅａｒｔｓ【Ａ】．ＩＥＥＥ ＡＰＣＣＡＳ ２０００【Ｃ】．Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｃｈｉ·
图４ｂ，Ｃ示出传输距离为４ ｎｌｎｌ时系统的相关 波形。由图４ｂ可见，由于频率跟踪的作用．电压波 形与电流波形的相位一致；图４ｃ中ＵｒＶＤ为续流二 极管的反向电压波形，当输出为１０ ｖ时，其占空比 为９３％。作为比较，保持输入母线电压不变。图４ｄ 示出传输距离为１０ １１１ＡＴＩ时的输出波形。此时占空 比减为４５％，而输出电压维持ｌＯ Ｖ不变。与理论 分析相符。
万方数据
图４不同传输距离下系统效率及实验波形 ６７
第４５卷第２期 ２０１１年２月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４５，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
为保证比较的合理性，实验中选择工作频率 均在１１０ ｋＨｚ左右。当传输距离为２ ｍｍ时，采用 表１中的线圈可使系统的效率接近６０％。
４实验结果与效率分析
根据式（２），（３），初次级自感的比值影响初级 电流大小。间接影响可分离变压器的铁耗。当次级 自感确定后．次级磁芯的铁耗也就确定．则初级铁 耗的大小主要由初级匝数确定．选择合理的初级 有助于系统整机效率的提高。图４ａ示出输出功率 为５ Ｗ时。不同传输距离下初级自感对系统最大 效率的影响。
当满足￡衲＞尺√（ｔｏＱ劬）时，可避免频率分叉现象。 为保证系统的稳定性．一般选取次级线圈自
感值略大于见ｑ／（ｔｏＱ曲），图３示出Ｄ＝０．４５工作频 率为１１０ ｋＨｚ时。不同ｋ下次级自感最小值与负 载的关系。
输距离发生变化时。可通过改变占空比来保证输 出电压恒定。
３样机设计
选择系统的工作频率为１１０ ｋＨｚ，额定负载 Ｒ。＝２０ Ｑ。设电压调节电路的最大占空比为Ｄ。＝ ０．９，根据式（３）计算得最小占空比为Ｄ曲＝０．４５，则 Ｒｅｑ＝３０．５—１２２ Ｑ，结合￡响＞尺。／（ｔｏＱ曲），得Ｌ面＝ ５３．５ ＩｘＨ。样机的磁芯型号采用ＥＥ５５，表１示出不 同传输距离ｄ下所绕制的可分离变压器参数。
定稿日期：２０１０—０９—０１ 作者简介：林 宁（１９８５－），男，浙江舟山人，硕士，研究方 向为无线电能传输。
６６
万方数据
工心脏）是需要避免的［３１。此外，由于系统的输出 功率受传输距离的影响较大．当变压器初次级发 生相对位移时．接收到的能量可能不足以让负载 正常工作【４１。
针对上述问题．提出一种两级结构的频率跟 踪式拓扑．建立了系统的模型，通过对模型的分 析，得到了合适的补偿方式，在保证初级频率跟踪 的前提下．研究了变压器初级线圈匝数对传输效 率的影响；当传输距离变化时，通过锁相环进行初 级逆变的频率跟踪，次级输出功率调节，保证输出 的稳定，而且控制简单，具有很强的实用性。
图５实验波形
在光伏组件和负载之间串联ＭＰＰＴ电路的传 统拓扑结构中，光伏板产生的所有电能都要经过
参考文献
【１】Ｔ Ｋｉｔａｎｏ，Ｍ Ｍａｔｓｕｉ，Ｄ Ｘｕ．Ａ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋ．
ｎａ：６４６—６４９．
【２】Ｃｈｕｎ·Ｈｕｎｇ Ｈｕ，Ｃｈｉａ－Ｈｕｉ Ｌａｉ，Ｗｅｎ—Ｒｅｎ Ｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ Ｃｏｎｔａｃｔｔｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ【Ａ】．ＩＳＩＥ ２００８［Ｃ１．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｂｒｉｔａｉｎ：２９３－２９８．
Ｃｐ＝１／［ｔ０２Ｌ，（１－ｋ２）】，Ｃ，＝ｌ／（ｔ０２Ｌ。）
（１）
式中：ｋ为耦合系数。
电压反馈
胛 习 ＿＿一
。■”Ｔ—一
【】
＿＿一
ｋＪ
ｃｐ，Ｃ分别为初、次级的补偿电容；Ｒ。为等效电阻；Ｌ，，￡．为初、次 级线圈自感。
图１＿系统电路图
变压器
图２ ＷＥＴＳ系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模型
定义Ｑ庐、／可＝万肛，对于频率跟踪控制方法，
第４５卷第２期 ２０１１年２月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４５，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
恒压输出的无线电能传输系统设计
林宁，姚缨英 （浙江大学，浙江杭州３１００２７）
摘要：无线电能传输系统的可分离变压器距离较大。能量传输效率低，且输出电压受接收距离的影响较大。根
ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｔ ｅｎｓｕｒｅｓ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｖｅｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｉｓ ｃｈａｎｇｉｎｇ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｒｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｔａｂｌｅ
ｖｅ曲ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
【３】Ｓｈｉｎｓｕｋｅ Ａｒａｉ，Ｈｉｄｅｋａｚｕ Ｍｉｕｒａ，Ｆｕｍｉｈｉｒｏ Ｓａｔｏ，ｅｔ ａ１．Ｅｘ—
ａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｓｔａｂｌｅ ＨｉＳｈ Ｅｆｆｌｅｉｅｎ—
ｃｙ ＴＥＴＳ ｆｏｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈｅａｒｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇ， ２００５，４１（１０）：４１７０－４１７２． ［４】Ｃｈｉａ—ｈｕｉ Ｌａｉ，Ｃｈａｕ－Ｓｈｉｎｇ Ｗａｎｇ，Ｈｓｉｎ·ｙｉｎ Ｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅ— ｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｃｏｎｔａｃｆｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｅｒ ｗｉｔｈ Ｂａｔ— ｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ａ］．ＥＤＳＳＣ２００７［Ｃ］．Ｔａｉｎａｎ．Ｃｈｉｎａ：１０４３—
据系统的互感模型．分析了变压器初级线圈匝数对传输效率的影响。选择合适的补偿方式，设计了一种两级式
结构。初级半桥逆变频率跟踪，次级恒压控制，有效保证了传输距离变化时次级能量的接收，并且具有控制简
单，能量传输稳定等优点。实验结果验证了该设计方法的有效性。
关键词：可分离变压器；频率跟踪；互感模型；无线电能传输
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｓｅｐａｒａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｕｓｕａｌｌｙ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ａｉｒ ｇａｐ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｅｎ。
ｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｈａｓ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ａｎｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐａｃｔｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｍｕｔｕａｌ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｄ＿
图５示出母线电压为４０ Ｖ时所设计的系统 在不同传输距离下的输出电压。在２—２０ ｍｍ范围 内，系统能够保持恒定的输出。
２５ １０．２ １０．２ ｌＯ．２ ７．２
２０ ｌＯ．２ １０．２ １０．２ ７．４
Ｅ １５ ｌＯ．２
｛。。
ｌ ０．２
ｌＯ．２
１０．２
ｌＯ．１ ５
ｌＯ．２ ｌＯ．２ １０．２
ｌＯ １０．１ １０．２ １０．２ ８．２ ０
ｋ
０．５８ ０．４８ ０．４４ ０．３８ ０．３４ ０．３２ ０．２９
根据工作频率．针对传输距离为１０ ｍｉｌｌ的情 况确定补偿电容，由式（１）计算得Ｃｐ＝９．５ ｎＦ，Ｇ＝ ３３．３ ｎＦ。根据图ｌ，初级功率开关管采用ＩＲＦ６３０， 次级电压调节电路芯片采用ＬＭ２５７６．续流二极管 为１Ｎ５８１９。
表１不同ｄ下可分离变压器参数
ｄ／ｍｍ
４
Ⅵ啦 ３０１．９
５
６
２８３．６ ２５９．０
７ ２５５．９
８ ２４９．８
９ ２４２．７
１０ ２４０．６
￡．，¨Ｈ ７８．２１ ７３．８２ ６７．００ ６６．６７ ６４．９８ ６３．２８ ６３．４２
Ｍ／ｐ，Ｈ ８９．６８ ６９．５３ ５８．１６ ４９．３４ ４３．５２ ４０．２０ ３５．１ｌ
ｅ１．ｔｌｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｉｌ’ｓ ｔｕｒｎｓ ｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，
ａ ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｉｓ ａｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ
图３不同耦合系数下￡。的最小值
由图２得到理想状况下的初级电流：
ｉ。＝１Ｔ刚（、／２ Ｕｄ）
（２）
式中：Ｐ０为输出功率；Ｕｄ为逆变器的母线电压。
当输出电压为玑时，满足：
Ｕｄ＝ｋａｒ２Ｕｏ、／／＂ｔ／（４Ｄ）
（３）
式中：玎为初、次级自感的比值．与初次级线圈的匝数比Ⅳ
近似满足ｎ＝Ｎ２。
上式表明，系统的输出电压与负载无关，当传
中图分类号：ＴＭ４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１ １）０２－００６６－０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｏｕｐｕｔ
ＬＩＮ Ｎｉｎｇ，ＹＡＯ Ｙｉｎｇ—ｙｉｎｇ
（Ｚｈｅｊ／ｏａｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
２ 系统的建模和分析
图１示出恒压输出的无线电能传输系统电路 结构。系统由在电气上隔离的两部分构成，能量发 射电路相对固定，接收电路可在一定范围内移动。 直流母线经高频逆变后。通过可分离变压器的磁 感应耦合将能量传输到次级，经过整流和电压反 馈调节，最终在负载上得到恒定的输出电压；当传 输距离改变时。通过电流采样以及频率跟踪控制 实现输出能量最大化。
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｐａｒａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ
１引 言
与传统利用导线传输的方法不同。无线电能 传输系统（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ，简称 ＷＥＴＳ）利用可分离变压器．通过电磁场耦合的方 式将电能传输到接收端。由于ＷＥＴＳ消除了火花， 且能量传输可穿透非金属介质，因此在需要电气隔 离的场合以及危险区域具有良好的应用前景，如人 工心脏的锂电池充赳¨、电动汽车的轨道充电【２】以及 旋转电机的工作等。由于在使用的安全性、维护的 成本上有很大的优势，近年来成为研究热点。
在许多场合中。ＷＥＴＳ的可分离变压器距离 较大，耦合系数较低，与普通变压器相比，其漏感 与励磁电感接近，在一些低耦合应用中，励磁电感 甚至小于漏感，极大地降低了能量传输效率，而且 器件的电压电流应力很大。若可分离变压器设计 不当，会造成大量能量损失在铁耗上，这不仅降低 了传输效率。而且造成温升，这在一些场合（如人
为便于系统设计。对初级串联补偿，次级并联
恒压输出的无线电能传输系统设计
补偿的系统进行建模，如图２所示。由于采用了频
率跟踪控制，可分离变压器电流波形接近正弦波．
故这里用其基波分量‰代替半桥逆变输出ｕｌ。当
次级电压调节为Ｂｕｃｋ电路时，有Ｒ。＝＇ｒｒ２Ｒｄ（８０２），
其中Ｄ为Ｂｕｃｋ电路的占空比。￡，，Ｌ。与ｃｐ，ｃ｜构成 ＬＣ谐振，当系统工作在稳态时，补偿电容满足：
（上接第１６页）附近波动。当，Ｌ＜ｋ时，蓄电池（串联
一个采样电阻）充电电流波形如图５ｂ所示，ＶＳ，
的ＰＷＭ波信号如图５ｃ所示。当，Ｌ＞ｋ时，蓄电池
给负载供电，ＶＳ：的ＰＷＭ波信号如图５ｄ所示。
ＤＣ／ＤＣ变换器进行处理，因此．整个光伏发电系统 的效率就要依赖于ＤＣ／ＤＣ变换器的效率。这里提 出了一种新型ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构．并将 ＭＰＰＴ电路与之并联，这样仅有少部分光伏板产生 的电能经过该ＤＣ／ＤＣ变换器．可大大提高光伏板 的利用效率。
５ １１／ｍ１１：５ ２０ ２５
图５不同传输距离下输出电压
５结 论
利用可分离变压器的互感模型对无线电能传 输系统进行了建模。由此得出线圈匝数影响传输 效率；同时利用初级串联补偿。次级并联补偿方式 具有输出电压不随负载改变的特性提出了两级结 构，初级频率跟踪实现能量利用最大化。次级电压 调节，实现了较大传输距离范围内输出的恒定。
参考文献
【１】Ｃ Ｃ Ｔｓａｉ，Ｂ Ｓ Ｃｈｅｎ，Ｃ Ｍ Ｔｓａｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｒｉｍ一 ∞ｕｔａｎｅｏｕｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｏｔａｌｌｙ Ａｒｔｉ－ ｆｉｅｉａｌ Ｈｅａｒｔｓ【Ａ】．ＩＥＥＥ ＡＰＣＣＡＳ ２０００【Ｃ】．Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｃｈｉ·
图４ｂ，Ｃ示出传输距离为４ ｎｌｎｌ时系统的相关 波形。由图４ｂ可见，由于频率跟踪的作用．电压波 形与电流波形的相位一致；图４ｃ中ＵｒＶＤ为续流二 极管的反向电压波形，当输出为１０ ｖ时，其占空比 为９３％。作为比较，保持输入母线电压不变。图４ｄ 示出传输距离为１０ １１１ＡＴＩ时的输出波形。此时占空 比减为４５％，而输出电压维持ｌＯ Ｖ不变。与理论 分析相符。
万方数据
图４不同传输距离下系统效率及实验波形 ６７
第４５卷第２期 ２０１１年２月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４５，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
为保证比较的合理性，实验中选择工作频率 均在１１０ ｋＨｚ左右。当传输距离为２ ｍｍ时，采用 表１中的线圈可使系统的效率接近６０％。
４实验结果与效率分析
根据式（２），（３），初次级自感的比值影响初级 电流大小。间接影响可分离变压器的铁耗。当次级 自感确定后．次级磁芯的铁耗也就确定．则初级铁 耗的大小主要由初级匝数确定．选择合理的初级 有助于系统整机效率的提高。图４ａ示出输出功率 为５ Ｗ时。不同传输距离下初级自感对系统最大 效率的影响。
当满足￡衲＞尺√（ｔｏＱ劬）时，可避免频率分叉现象。 为保证系统的稳定性．一般选取次级线圈自
感值略大于见ｑ／（ｔｏＱ曲），图３示出Ｄ＝０．４５工作频 率为１１０ ｋＨｚ时。不同ｋ下次级自感最小值与负 载的关系。
输距离发生变化时。可通过改变占空比来保证输 出电压恒定。
３样机设计
选择系统的工作频率为１１０ ｋＨｚ，额定负载 Ｒ。＝２０ Ｑ。设电压调节电路的最大占空比为Ｄ。＝ ０．９，根据式（３）计算得最小占空比为Ｄ曲＝０．４５，则 Ｒｅｑ＝３０．５—１２２ Ｑ，结合￡响＞尺。／（ｔｏＱ曲），得Ｌ面＝ ５３．５ ＩｘＨ。样机的磁芯型号采用ＥＥ５５，表１示出不 同传输距离ｄ下所绕制的可分离变压器参数。
定稿日期：２０１０—０９—０１ 作者简介：林 宁（１９８５－），男，浙江舟山人，硕士，研究方 向为无线电能传输。
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万方数据
工心脏）是需要避免的［３１。此外，由于系统的输出 功率受传输距离的影响较大．当变压器初次级发 生相对位移时．接收到的能量可能不足以让负载 正常工作【４１。
针对上述问题．提出一种两级结构的频率跟 踪式拓扑．建立了系统的模型，通过对模型的分 析，得到了合适的补偿方式，在保证初级频率跟踪 的前提下．研究了变压器初级线圈匝数对传输效 率的影响；当传输距离变化时，通过锁相环进行初 级逆变的频率跟踪，次级输出功率调节，保证输出 的稳定，而且控制简单，具有很强的实用性。
图５实验波形
在光伏组件和负载之间串联ＭＰＰＴ电路的传 统拓扑结构中，光伏板产生的所有电能都要经过
参考文献
【１】Ｔ Ｋｉｔａｎｏ，Ｍ Ｍａｔｓｕｉ，Ｄ Ｘｕ．Ａ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋ．
ｎａ：６４６—６４９．
【２】Ｃｈｕｎ·Ｈｕｎｇ Ｈｕ，Ｃｈｉａ－Ｈｕｉ Ｌａｉ，Ｗｅｎ—Ｒｅｎ Ｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ Ｃｏｎｔａｃｔｔｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ【Ａ】．ＩＳＩＥ ２００８［Ｃ１．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｂｒｉｔａｉｎ：２９３－２９８．
Ｃｐ＝１／［ｔ０２Ｌ，（１－ｋ２）】，Ｃ，＝ｌ／（ｔ０２Ｌ。）
（１）
式中：ｋ为耦合系数。
电压反馈
胛 习 ＿＿一
。■”Ｔ—一
【】
＿＿一
ｋＪ
ｃｐ，Ｃ分别为初、次级的补偿电容；Ｒ。为等效电阻；Ｌ，，￡．为初、次 级线圈自感。
图１＿系统电路图
变压器
图２ ＷＥＴＳ系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模型
定义Ｑ庐、／可＝万肛，对于频率跟踪控制方法，
第４５卷第２期 ２０１１年２月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４５，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
恒压输出的无线电能传输系统设计
林宁，姚缨英 （浙江大学，浙江杭州３１００２７）
摘要：无线电能传输系统的可分离变压器距离较大。能量传输效率低，且输出电压受接收距离的影响较大。根
ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｔ ｅｎｓｕｒｅｓ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｖｅｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｉｓ ｃｈａｎｇｉｎｇ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｒｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｔａｂｌｅ
ｖｅ曲ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
【３】Ｓｈｉｎｓｕｋｅ Ａｒａｉ，Ｈｉｄｅｋａｚｕ Ｍｉｕｒａ，Ｆｕｍｉｈｉｒｏ Ｓａｔｏ，ｅｔ ａ１．Ｅｘ—
ａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｓｔａｂｌｅ ＨｉＳｈ Ｅｆｆｌｅｉｅｎ—
ｃｙ ＴＥＴＳ ｆｏｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈｅａｒｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇ， ２００５，４１（１０）：４１７０－４１７２． ［４】Ｃｈｉａ—ｈｕｉ Ｌａｉ，Ｃｈａｕ－Ｓｈｉｎｇ Ｗａｎｇ，Ｈｓｉｎ·ｙｉｎ Ｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅ— ｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｃｏｎｔａｃｆｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｅｒ ｗｉｔｈ Ｂａｔ— ｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ａ］．ＥＤＳＳＣ２００７［Ｃ］．Ｔａｉｎａｎ．Ｃｈｉｎａ：１０４３—
据系统的互感模型．分析了变压器初级线圈匝数对传输效率的影响。选择合适的补偿方式，设计了一种两级式
结构。初级半桥逆变频率跟踪，次级恒压控制，有效保证了传输距离变化时次级能量的接收，并且具有控制简
单，能量传输稳定等优点。实验结果验证了该设计方法的有效性。
关键词：可分离变压器；频率跟踪；互感模型；无线电能传输
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｓｅｐａｒａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｕｓｕａｌｌｙ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ａｉｒ ｇａｐ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｅｎ。
ｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｈａｓ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ａｎｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐａｃｔｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｍｕｔｕａｌ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｄ＿
图５示出母线电压为４０ Ｖ时所设计的系统 在不同传输距离下的输出电压。在２—２０ ｍｍ范围 内，系统能够保持恒定的输出。
２５ １０．２ １０．２ ｌＯ．２ ７．２
２０ ｌＯ．２ １０．２ １０．２ ７．４
Ｅ １５ ｌＯ．２
｛。。
ｌ ０．２
ｌＯ．２
１０．２
ｌＯ．１ ５
ｌＯ．２ ｌＯ．２ １０．２
ｌＯ １０．１ １０．２ １０．２ ８．２ ０
ｋ
０．５８ ０．４８ ０．４４ ０．３８ ０．３４ ０．３２ ０．２９
根据工作频率．针对传输距离为１０ ｍｉｌｌ的情 况确定补偿电容，由式（１）计算得Ｃｐ＝９．５ ｎＦ，Ｇ＝ ３３．３ ｎＦ。根据图ｌ，初级功率开关管采用ＩＲＦ６３０， 次级电压调节电路芯片采用ＬＭ２５７６．续流二极管 为１Ｎ５８１９。
表１不同ｄ下可分离变压器参数
ｄ／ｍｍ
４
Ⅵ啦 ３０１．９
５
６
２８３．６ ２５９．０
７ ２５５．９
８ ２４９．８
９ ２４２．７
１０ ２４０．６
￡．，¨Ｈ ７８．２１ ７３．８２ ６７．００ ６６．６７ ６４．９８ ６３．２８ ６３．４２
Ｍ／ｐ，Ｈ ８９．６８ ６９．５３ ５８．１６ ４９．３４ ４３．５２ ４０．２０ ３５．１ｌ
ｅ１．ｔｌｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｉｌ’ｓ ｔｕｒｎｓ ｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，
ａ ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｉｓ ａｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ
图３不同耦合系数下￡。的最小值
由图２得到理想状况下的初级电流：
ｉ。＝１Ｔ刚（、／２ Ｕｄ）
（２）
式中：Ｐ０为输出功率；Ｕｄ为逆变器的母线电压。
当输出电压为玑时，满足：
Ｕｄ＝ｋａｒ２Ｕｏ、／／＂ｔ／（４Ｄ）
（３）
式中：玎为初、次级自感的比值．与初次级线圈的匝数比Ⅳ
近似满足ｎ＝Ｎ２。
上式表明，系统的输出电压与负载无关，当传
中图分类号：ＴＭ４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１ １）０２－００６６－０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｏｕｐｕｔ
ＬＩＮ Ｎｉｎｇ，ＹＡＯ Ｙｉｎｇ—ｙｉｎｇ
（Ｚｈｅｊ／ｏａｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
２ 系统的建模和分析
图１示出恒压输出的无线电能传输系统电路 结构。系统由在电气上隔离的两部分构成，能量发 射电路相对固定，接收电路可在一定范围内移动。 直流母线经高频逆变后。通过可分离变压器的磁 感应耦合将能量传输到次级，经过整流和电压反 馈调节，最终在负载上得到恒定的输出电压；当传 输距离改变时。通过电流采样以及频率跟踪控制 实现输出能量最大化。
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｐａｒａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ
１引 言
与传统利用导线传输的方法不同。无线电能 传输系统（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ，简称 ＷＥＴＳ）利用可分离变压器．通过电磁场耦合的方 式将电能传输到接收端。由于ＷＥＴＳ消除了火花， 且能量传输可穿透非金属介质，因此在需要电气隔 离的场合以及危险区域具有良好的应用前景，如人 工心脏的锂电池充赳¨、电动汽车的轨道充电【２】以及 旋转电机的工作等。由于在使用的安全性、维护的 成本上有很大的优势，近年来成为研究热点。
在许多场合中。ＷＥＴＳ的可分离变压器距离 较大，耦合系数较低，与普通变压器相比，其漏感 与励磁电感接近，在一些低耦合应用中，励磁电感 甚至小于漏感，极大地降低了能量传输效率，而且 器件的电压电流应力很大。若可分离变压器设计 不当，会造成大量能量损失在铁耗上，这不仅降低 了传输效率。而且造成温升，这在一些场合（如人
为便于系统设计。对初级串联补偿，次级并联
恒压输出的无线电能传输系统设计
补偿的系统进行建模，如图２所示。由于采用了频
率跟踪控制，可分离变压器电流波形接近正弦波．
故这里用其基波分量‰代替半桥逆变输出ｕｌ。当
次级电压调节为Ｂｕｃｋ电路时，有Ｒ。＝＇ｒｒ２Ｒｄ（８０２），
其中Ｄ为Ｂｕｃｋ电路的占空比。￡，，Ｌ。与ｃｐ，ｃ｜构成 ＬＣ谐振，当系统工作在稳态时，补偿电容满足：