基于CLC的非接觸電能傳輸諧振點(diǎn)的分析

1、基于CLC的非接觸電能傳輸多諧振點(diǎn)的分析王品一（重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400030）摘要：在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中，高頻諧振環(huán)節(jié)是系統(tǒng)能量耦合的核心環(huán)節(jié)。原副邊諧振電路使得非接觸電能傳輸系統(tǒng)具有典型的高階開關(guān)非線性特性，系統(tǒng)存在著不同的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為特性，存在著多諧振點(diǎn)的現(xiàn)象和諧振點(diǎn)跳變的現(xiàn)象。本文分析了CLC型推拉式電路的原理，根據(jù)分段線性自治系統(tǒng)的頻閃映射建模理論，得到周期不動(dòng)點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)多諧振點(diǎn)精確計(jì)算方法。最后對(duì)得出的多諧振的諧振電壓電流波形進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,證明了該理論的正確性。關(guān)鍵詞：多諧振點(diǎn)；非接觸電能傳輸； CLC串并聯(lián) CLC-based contactless power a

2、nalysis of multi-resonanceWang Pinyi(School of Automation, Chongqing University, Chongqing 400030)Abstract: In the contactless power transmission system, the high frequency resonant circuit is the key part of the energy couple system. Contactless power transmission system has a typical nonlinearity

3、high order switch characteristic because the existence of the primary and secondary resonant circuit. There are complex dynamic behavior characteristics, besides there are the phenomenon of multiple resonance and resonance jump in the system. Firstly this paper analyzes the CLC-type push-pull circui

4、t theory, the cycle fixed point steady-state multi-resonance point can be calculated accurately according to the stroboscopic mapping theory of piecewise linear modeling. Finally, the multi-resonant voltage and current waveform was proved through the simulation, in the same times the theory was prov

5、ed correct.Key words: multiple resonance ;Contactless power transmission; CLC parallel-series1引言非接觸電能傳輸（Contactless Power Transfer, 簡(jiǎn)稱CPT）是基于電磁感應(yīng)耦合原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)?。其本質(zhì)是借助某種載體實(shí)現(xiàn)無(wú)直接電氣連接的電能傳輸，具有完全獨(dú)立的原、副邊借助高頻功率磁場(chǎng)進(jìn)行能量的發(fā)送與接收, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的靈活供電，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，特別適合于水下或易燃易爆等場(chǎng)合1-2。CPT系統(tǒng)是一種松耦合，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌情況下，其耦合系數(shù)很小，這種松耦合的特性使得高頻諧振環(huán)節(jié)成

6、為系統(tǒng)能量耦合的核心環(huán)節(jié)。而原副邊的諧振電路則使得 CPT 系統(tǒng)具有典型的高階開關(guān)非線性特性，在不同的工作點(diǎn)（或工作狀態(tài)）上，這樣的系統(tǒng)存在著不同的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為特性，存在著多諧振點(diǎn)的現(xiàn)象和諧振點(diǎn)跳變的現(xiàn)象3。 本文分析了基于CLC型的推拉式電路原理，根據(jù)分段線性自治系統(tǒng)的頻閃映射建模理論4，并在此模型下得出周期不動(dòng)點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)多諧振點(diǎn)精確計(jì)算方法。文中對(duì)CLC的非接觸電能傳輸電路多諧振點(diǎn)進(jìn)行了研究和分析，并仿真驗(yàn)證。2 CLC 型非接觸電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)浼肮ぷ髟韴D2所示為推拉式 CPT 系統(tǒng)的主電路，為電流源型電路，直流電源與直流電感共同組成準(zhǔn)直流源。緊密耦合的電感與組成相分電感，開關(guān)管、

7、 與相分電感、構(gòu)成推拉式逆變器，、構(gòu)成原邊并聯(lián)諧振電路，與構(gòu)成副邊并聯(lián)諧振電路，為原邊諧振線圈的串聯(lián)等效電阻. 、與構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò).圖2 CPT系統(tǒng)CLC串并聯(lián)諧振逆變器Fig.2 CLC parallel-series resonant converter S1S2組成高頻能量變換環(huán)節(jié)，通過(guò)S1，S2 交替導(dǎo)通，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)正反向兩種能量注入模式，兩對(duì)開關(guān)管的切換總是在CLC 網(wǎng)電容 的電壓過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓) 運(yùn)行，并為諧振網(wǎng)絡(luò)提供輸入電壓。有圖3可以得出原邊電路的傳遞函數(shù)2.1：Y(s)= (2.1)CLC型電流源型CPT主電路可以簡(jiǎn)化為圖3的電路如下：圖3 電流型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)Fig

8、.3 Current-fed Track Network 當(dāng)諧振處于全調(diào)諧狀態(tài)時(shí)，=，則可以得出式2.2Y(s)= （2.2） 在諧振頻率下，Y(j ) =, 在其中, 是非接觸CLC網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗. CLC電路可在不影響零電壓切換頻率或?qū)к壵{(diào)諧的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出阻抗變換，通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源、發(fā)揮帶通濾波器功能改善整個(gè)系統(tǒng)性能.3 推拉式CLC串并聯(lián)多諧振點(diǎn)的系統(tǒng)分析由于非接觸電能傳輸系統(tǒng)原副邊的松耦合特性，為了提高傳輸系統(tǒng)的功率傳輸能力，通常系統(tǒng)原副邊主電路都會(huì)采用諧振型開關(guān)電路， 這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的高階非線性特性，這種特性則使得系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的行為特性.傳統(tǒng)的交流阻抗分

9、析方法作為一種最常用的諧振電路分析方法，可以通過(guò)運(yùn)算法則得到系統(tǒng)的零相角頻率，但是這種方法只能給出諧振電路在正弦基波信號(hào)激勵(lì)下的近似解，交流阻抗分析方法只能給出系統(tǒng)的基波諧振頻率，而根本無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)高階非線性特性引起的多軟開關(guān)工作點(diǎn)現(xiàn)象5。本文利用分段線性自治系統(tǒng)的頻閃映射建模理論，分析推拉式CLC電路的多諧振點(diǎn)問(wèn)題。3.1推拉式CPT系統(tǒng)分析對(duì)圖2所示的電流型推拉式逆變電路，有兩個(gè)線性模態(tài)6：模態(tài) 1：開關(guān)管 關(guān)斷，開關(guān)管導(dǎo)通，準(zhǔn)電流源為諧振網(wǎng)絡(luò)正向注入能量，穩(wěn)態(tài)模態(tài)持續(xù)時(shí)間 = ；模態(tài) 2：開關(guān)管 導(dǎo)通， 關(guān)斷，準(zhǔn)電流源為諧振網(wǎng)絡(luò)反向注入能量，穩(wěn)態(tài)模態(tài)持續(xù)時(shí)間 = 。3.2多諧振點(diǎn)的定

10、義: 應(yīng)用分段線型頻閃映射及不動(dòng)點(diǎn)理論對(duì)CPT系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)可能存在多個(gè)諧振點(diǎn)，諧振點(diǎn)即指那些開關(guān)頻率與波形振蕩頻率一致的軟開關(guān)工作點(diǎn)。諧振點(diǎn)是系統(tǒng)的一種特殊軟開關(guān)工作點(diǎn)。如果系統(tǒng)存在k個(gè)諧振點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的諧振周期為(i=1,2,k).4仿真分析按照推拉式CPT系統(tǒng)的電路拓?fù)湓贛ATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析，所采用仿真參數(shù)如下表所示：表4.1 CPT系統(tǒng)參數(shù)取值表Table 4.1 Parameters of a push-pull CPT system 參數(shù) 取值 參數(shù) 取值輸入電壓(V)500副邊諧振電容(F) 1.03直流電感(H)1000.0互感 400相分電感(H

11、)500.0網(wǎng)電容 1.57原邊諧振電容(F)1.03網(wǎng)電容 1.53原邊諧振電感(H)59.6網(wǎng)電感 42.8副邊諧振電感(H)60.7等效負(fù)載() 5利用分段線性自治系統(tǒng)的頻閃映射建模理論,并在此模型下得出周期不動(dòng)點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)多諧振點(diǎn)精確計(jì)算方法。得到系統(tǒng)多個(gè)諧振點(diǎn).在100s系統(tǒng)存在2個(gè)諧振點(diǎn)，其諧振頻率分別為：（1）24.53kHz、（2）23.43kHz. 在MATLAB/SIMULINK下仿真得到兩個(gè)諧振點(diǎn)下的原副邊諧振電壓及電流穩(wěn)態(tài)波形。原邊諧振電壓和諧振電流副邊諧振電壓諧振電流（a）諧振點(diǎn)1（24.53kHz）原邊諧振電壓和諧振電流副邊諧振電壓諧振電流（b）諧振點(diǎn)2（23.43k

12、Hz）圖4 推拉式CPT系統(tǒng)各諧振點(diǎn)原副邊諧振電壓及電流穩(wěn)態(tài)波形Fig.4. Steady-state waveforms of the primary and secondary resonant voltage and currentof a push-pull CPT system at different resonant operating points綜上可知，系統(tǒng)在兩個(gè)理論諧振點(diǎn)上均可穩(wěn)定工作在ZVS軟開關(guān)狀態(tài)，且都有較好的穩(wěn)態(tài)波形，這證明了前面理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。5結(jié)論文中分析了CLC 型非接觸電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)浼肮ぷ髟?，利用分段線性自治系統(tǒng)的頻閃映射建模理論，得到周期不

13、動(dòng)點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)多諧振點(diǎn)精確計(jì)算方法.基于matlab/simulink平臺(tái)下對(duì)該CPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了其兩個(gè)諧振點(diǎn)的工作特性，并給出2個(gè)諧振點(diǎn)原副邊諧振電壓諧振電流穩(wěn)態(tài)波形，證明了前面理論分析結(jié)果的可行性。參考文獻(xiàn)1 Hu AP ,Chen ZJ ,Hussmann S ,et al. A dynamically on2offcontrolled resonant converter designed for coal mining bat2 tery charging applications J .Power System Technology ,2002 (2) :1039 -

14、1044.2 孫躍,王智慧,戴欣,等.非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究J .電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005 ,20(11):56 - 59.3 Hu A P. Selected resonant converters for IPT power suppliesPh.D. Auckland: The University of Auckland, 2001.4 唐春森. 非接觸電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)工作點(diǎn)研究與應(yīng)用D. 重慶: 重慶大學(xué), 2009.5 Wang C S, Covic G A, Stielau O H. Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systemsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(1): 148157.6 Yugang Su, Chunsen Tang, Shuping