使用LCC网络补偿设计无线功率系统 |
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本文只是为了形成公众号推文,对博文 无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计 进行简写。详细的内容可以参见原文的内容。 ▌01 线圈补偿电路 1.设计背景 在无线磁共振电能传输系统中,由于发送线圈与接收线圈之间往往具有很大的间隔,或者没有对齐,使得两个线圈之间互感系数往往很低。通常情况下都小于0.3。 这种情况在 全国大学生智能车节能组 比赛中情况会更糟。由于车模行驶到发送线圈上,依靠简单的光电或者磁场定位,车模上的接收线圈往往很难对准发送线圈的中心。 为了避免线圈漏磁造成的电感对于电能传输的阻碍,往往需要对发送和接收线圈使用电容进行补偿。在前几天测试了简单的电容串联补偿,可以获得50W传输功率,效率在75% 左右。串联补偿电路虽然设计简单,但是对于发送系统存在不稳定情况。特别是当负载出现较大波动时,会引起发送线圈中的电流出现很大的波动。 为了适应负载的波动,往往采用LCC电路补偿形式。它可以在了负载变化的情况下,维持发送线圈中的电流恒定,从而提高了系统的稳定性。 《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》.pdf 2.LCC补偿方案LCC电路补偿是指在原来的发送线圈上增加三个补偿器件,它们组成一个T型的电路网络: T型左边支路:串联补偿电感LpT型右边支路:串联补偿电容CpsT型下边支路:并联补偿电容Cpp发送和接收线圈采取对称的LCC补偿方案。 相比原来串联补偿,只有一个补偿电容参数,在设计时只需要考虑到电路谐振频率便可以求出补偿电容的参数。 采用LCC补偿方案,每边补偿网络的参数变成了三个参数:Lp,Cps,Cpp。这使得电路设计变得复杂。 为了简化设计,往往以下面对称T型网络为基础来设计电路。在负载Z0与电源Ui之间,使用了两个jX(电感)和一个-jX(电容)组成了一个T型补偿网络。其中三个器件在工作频率下对应的电抗幅值均相同。因此这个电路在设计过程中只有一个参数X,因此设计过程简单。 这个电路最重要的一个特性,就是负载Z0的工作电流I0是一个恒定值: 如果接收线圈已经进行很好的电容补偿,对应线圈的负载假设为RL,那么通过发送和接收线圈的耦合,在发送线圈所对应的反射电阻: ▌02 LCC补偿网络参数设计 根据在 无线充电系统在输出部分采用LCC拓扑结构综述研究 中的方案设计LCC的网络参数。 发送和接收线圈参数: 电感量:29微亨;互感量:在相距3厘米时,互感量为9.5微亨; 1.设计条件 (1)输出负载假设电阻负载RL=10Ω。 经过全桥整流之后,根据 全桥整流等效负载阻抗是多少? 讨论,整流全桥之前的阻抗大约是: 假设工作频率:f0=95kHz。 原边的反射电阻: 假设输出功率: P O U T = 50 W P_{OUT} = 50W POUT=50W。 (2)输入功率工作电压: U b u s = 24 V U_{bus} = 24V Ubus=24V。 对应的基波的有效值: 假设原边到负载之间的效率为: η t o t a l = 0.8 \eta _{total} = 0.8 ηtotal=0.8。 因此电源在反射上的功率为: 流经反射电阻的电流: 根据前面计算出的I0的大小,可以分分别求出LCC补偿器件的参数:
经过计算之后的LCC补偿参数: 元器件参数原边串联电感L14.56uH并联电容Cpp0.615uF串联电容Cps0.1148uF 3.误差影响分析在实际实验中,由于相关的电感L1,电容Cpp,Cps与设计参数会有相应的差别,主要原因包括: 只能通过规格的电感、电容通过串并联制作。所以它们只能取与设计相近的数值;满足ZVS(Zero Voltage Switch)条件:逆变器需要呈现感性条件。在 Applying LCC compenstation Network to Dynamic Wireless Charging System给出了网络参数偏离实际对称状态下的表达式。以LCC补偿下支路Xp为基础,左手偏离比率定义为 α = ω L 1 / X p \alpha = \omega L_1 /X_p α=ωL1/Xp;右手偏离比率定义为: β = ( ω L p − 1 / ( ω ⋅ C p s ) ) / X P \beta = \left( {\omega L_p - 1/\left( {\omega \cdot C_{ps} } \right)} \right)/X_P β=(ωLp−1/(ω⋅Cps))/XP,那么流经耦合线圈的电流表达式为: 从公式中可以看到,当 α , β \alpha ,\beta α,β等于1时,流经耦合线圈的电流是一个常量: U i / ( j X p ) U_i /\left( {jX_p } \right) Ui/(jXp)。 下图显示了U1=300V,Xp=12欧姆,Rref=8Ω的情况下,不同的α,β对于电流的影响。 主要制作的电感电感量:Lp=4.56uH 环形骨架参数: 尺寸:32mm×20mm×11mm匝数:N1=42电感:L1=203.6uH;根据Lp要求,需要制作的匝数为: 利用Litz线绕制6匝电感,测量电感:L=5.895uH。 使用0.22uF的电容通过串并联制作Cpp,Cps。 利用 粘贴铜箔简易实验电路制作 制作LCC补偿网络电路。 ▌03 实验测试 1.空载测试 将接收线圈移开,只测量发送线圈在空载下工作情况。 下面显示了在不同的工作频率下,发送电路的工作电流变化情况。可以看到在设计的工作频率点95kHz左右,系统工作电流最小,只有60mA左右。 如果是简单的串联补偿,在发送线圈空载时,工作电流则会达到最大。此时系统的功耗也最大,这些电功率都消耗在驱动电路和工作线圈上。 经过LCC补偿,情况则相反,在空载下,系统的工作电流自动达到最小。因此不需要系统进行额外的电流控制。 2.带载实验将接收线圈与发送线圈对齐,并在全桥整流之后连接两个50W30欧姆的水泥电阻并联,负载电阻为15欧姆。 下面给出了不同频率下,系统的输入功率、输出功率以及电能转换效率: 可以看出,在设计工作频率95kHz时,系统的转换效率达到最高。但在105kHz时,系统的输出功率达到最高。 3.满载实验根据前面设计系统满载工作条件。在负载为10欧姆(由三个50W,30欧姆的水泥电阻并联),驱动桥电压为24V时,输出功率应该50W左右。下面是测量的结果: 电源工作电压:: Vbus=24V整流桥输出电压:Vout=22.11V,输出功率:48.89W电源电流Ibus=2.66A,系统输入功率:64.32W系统效率:76.0%由测试结果可以看出,系统工作条件基本达到了设计要求。 下图显示了工作一段时间之后,LCC补偿电路和接收电路温度分布情况。可以看到串联补偿电感Lp有很大的温度升高,它损耗了一定功率。在输出电路中,全桥整流温度也升高。 前面设计LCC补偿电路参数,依据的原理是对称T型电路会使得发送线圈的电流保持恒定。下面使用电流钳分别测量在电路满载和空载下,发送线圈的电流大小。 下图是系统在空载时,发送线圈中的电流波形(青色)。 下图显示了系统工作在满载时,发送线圈中的电流波形(青色)。对比空载和满载,可以看到发送线圈中的电流幅值基本上保持恒定。 对比上面测量结果,可以看到线圈中的电流基本上保持恒定的数值。 ▌结论 本文讨论了基于对称T型网络设计LCC补偿网络参数问题。并对半桥驱动电压24V情况下,在10欧电阻负载上输出50W的条件进行设计LCC参数。 通过实验测试,验证了: 系统功率输出达到了48.89W;传输效率在76%;工作在95kHz下,系统空载电流为60mA,无需主控电路任何控制,便可以适应接收负载发生剧烈变化的情况。 为了进一步提高系统的效率,需要对LCC中串联电感Lp的制作进行优化。采用高频,抗饱和磁环制作,减少补偿电路的损耗。 |
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