閆大鵬，文珊珊，林名潤(rùn)，杜明俊，梁 宇，王 杰

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

感應(yīng)電能傳輸（IPT）技術(shù)基于法拉第電磁感應(yīng)原理，可借助于電磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳輸。傳輸系統(tǒng)中原邊側(cè)線圈受交變電流的激發(fā)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，副邊側(cè)線圈在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)出交變電壓，由此將電能從原邊側(cè)傳送給副邊側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。此技術(shù)相比傳統(tǒng)供電方式有完全電氣隔離、安全、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，例如可在水下和易燃易爆等特殊環(huán)境中應(yīng)用，避免漏電、電弧或電火花等所引起的安全隱患，保證了電能供應(yīng)的可靠性。

1 IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由原邊側(cè)能量發(fā)射部分與副邊側(cè)能量接收部分組成。原邊側(cè)功率變換部分對(duì)電源發(fā)出的直流電進(jìn)行逆變，將逆變得到的高頻交變電流通入發(fā)射線圈，激發(fā)出交變磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感性定律，副邊側(cè)接收線圈將通過(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)出交變電壓，再經(jīng)功率變換部分后得到滿足要求的電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電。

圖1 IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

原邊側(cè)高頻逆變部分可分電壓型逆變與電流型逆變兩種，電流型逆變有低電磁干擾（EMI）、易實(shí)現(xiàn)柔性狀態(tài)切換等諸多優(yōu)點(diǎn)，本方案功率變換部分即采用電流型逆變結(jié)構(gòu)。線圈與電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)具有限流能力強(qiáng)、短路保護(hù)可靠的特點(diǎn)，常與電流型逆變電路相連接，組成能量發(fā)射機(jī)構(gòu)。線圈與電容構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)可保證較大的輸出功率與較好的恒頻恒壓特性，因此，將其應(yīng)用在副邊能量接收機(jī)構(gòu)中。

整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在原邊側(cè)，恒壓源Edc與大電感Ldc構(gòu)成準(zhǔn)電流源；MOS管VT1～VT4構(gòu)成高頻逆變橋；Cp和Lp構(gòu)成原邊側(cè)發(fā)射端并聯(lián)諧振回路；CS和LS構(gòu)成副邊側(cè)接收端串聯(lián)諧振回路；在此結(jié)構(gòu)中為簡(jiǎn)化分析，將整流濾波環(huán)節(jié)與負(fù)載等效為一電阻負(fù)載Req.

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 具有軟開(kāi)關(guān)特性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

頻閃映射方法是一種離散映射建模方法，即以某一頻率對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行采樣，通常該頻率與系統(tǒng)工作頻率相同。如果目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)呈周期變化，其頻閃模型必然對(duì)應(yīng)為一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)。

將表達(dá)式為=f（x）的非線性系統(tǒng)分段線性化為k個(gè)線性模態(tài)，各模態(tài)的狀態(tài)空間描述為：

式（1）中：x為系統(tǒng)向量，ui為系統(tǒng)輸入向量，Ai為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，Bi為系統(tǒng)輸入系數(shù)矩陣。

對(duì)式（1）進(jìn)行整理可得系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)間映射函數(shù)：

設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行周期為T，各線性模態(tài)的工作時(shí)間為ξi，即：

由此可得各模態(tài)下的狀態(tài)映射函數(shù)：

假設(shè)xn為體統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的周期初始狀態(tài)，xn+1為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)周期結(jié)束狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)向量周期性重復(fù)，則xn+1=xn.

由此可得系統(tǒng)周期不動(dòng)點(diǎn)x*為：

式（5）中：○為復(fù)合映射算子，含義為f○g（t）=f[g（t）]。各模態(tài)切換邊界條件為：

式（6）中：Yj（j=1，2，…，k）為狀態(tài)選擇矩陣，用來(lái)將邊界條件涉及到的某個(gè)狀態(tài)變量從狀態(tài)向量x中提取出來(lái)。

對(duì)于圖2中的電路，系統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)工作條件為開(kāi)關(guān)瞬間，開(kāi)關(guān)管漏源極兩端的電壓為0，即0電壓開(kāi)關(guān)。對(duì)圖2中電路建模，利用上述方法通過(guò)狀態(tài)選擇矩陣提取出電容Cp的電壓。可知在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓也為0，則同時(shí)該電容電壓也應(yīng)為0，即利用式（6）提取出電容Cp的電壓，令該量為0.如果把周期T看作變量，由此則可計(jì)算出所有可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的周期值Ti（i=1，2，…，k）。為了保證系統(tǒng)功率傳輸能力，選取其中最大軟開(kāi)關(guān)周期Tmax，進(jìn)而可推算出各元器件參數(shù)值。

根據(jù)要求系統(tǒng)輸入電壓為24 V，所帶負(fù)載的額定電壓與額定功率分別為12 V與4 W。利用上述方法，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境下結(jié)構(gòu)尺寸的限定條件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

表1 IPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3 IPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓電流波形

由圖3可見(jiàn)，諧振腔輸入電壓up與原邊側(cè)電感電流iLp呈正弦波形，相位角相差90°，原邊側(cè)電感與電容達(dá)諧振狀態(tài)，在開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)高低電平切換瞬間，up波形過(guò)0，開(kāi)關(guān)管完成通斷切換，說(shuō)明開(kāi)關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了頻閃映射建模方法和周期不動(dòng)點(diǎn)理論，由此總結(jié)出一種系統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)的計(jì)算方法，根據(jù)輸入輸出要求設(shè)計(jì)了一款I(lǐng)PT供電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。

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