西南交通大学陈阳琦等：一种电场耦合式无线电能传输系统无源谐振元件电压优化方法研究
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1导语电场耦合式无线电能传输系统由于其耦合电容较小，工作频率偏高，在运行过程中无源谐振元件往往承受较大电压。针对这一问题，本文提出一种可优化系统无源谐振元件电压的方法。通过合理配置无源谐振元件参数，限制谐振元件所承受的最大电压，从而提高系统安全裕度。2研究背景所电场耦合式无线电能（CPT）系统具有重量轻、成本低、良好的传导性等优点，由于CPT系统耦合电容较小，需要在高频下进行能量传输，这将导致系统无源谐振元件具有较大的阻抗，在同等电流等级下，元件将承受更大电压，在功率等级提升后这个问题将更加显著。特别是在系统达到最大功率点时，过大的电压可能会击穿元件，导致系统失去稳定性，甚至引发安全问题。3论文方法及创新点目前尚未有大功率CPT拓扑考虑元件电压过大的问题，所以有必要提出一种电压优化方法，以保障系统安全、稳定的运行。本文针对电动汽车充电应用场合，提出一种结构较为简单且具有恒压特性的CLLC-L拓扑如图1所示。
图1 CLLC-L拓扑结构的CPT系统通过Y-△变换的方法可使电路等效为CLC-LCL谐振网络级联的形式，采用基尔霍夫电压定理，计算出系统无源谐振元件的电压表达式，通过配置合理的系统参数，实现系统无源谐振元件电压最大电压达到最小的优化目标。选取耦合电容为优化参数，绘制CE在取值区间100pf-500pf内各无源谐振元件电压有效值在系统最大功率点的变化曲线，如图2a-2g所示。
图2 无源谐振元件电压有效值随CE变化趋势将无源谐振元件产生的最大电压值，以横坐标为CE参数，纵坐标为最大电压值，组合成一张曲线图，则系统无源谐振元件电压的最大值在系统最大功率点随CE的变化趋势如图2(h)所示。曲线在CE=243.2pf时，CPT系统无源谐振元件在通过最大功率点时最大电压为最小值。为了验证所提电压优化策略，搭建了基于CLLC-CL拓扑的CPT系统实验平台如图3所示，平台包括直流源、高频逆变器、DSP、无源补偿元件、整流桥、负载等，其中输出功率为2.12kW。本文设计了两组分别为CE=243.2pF最优情况下的无源谐振元件电压实验和CE=200.0pF非最优情况下的无源谐振元件电压对比实验。
图3 CPT系统实验平台计算各元件在最大功率点的电压有效值，测量各元件实际参数和最大功率点电流、电压有效值数据，如表1所示表1 最优组元件计算与实验数据元件测量参数实验电流实验电压计算电压Cp6.67nF9.82A0.36kV0.32kVLp8.85mH11.91A0.43kV0.41kVLm228.0mH6.77A6.30kV6.14kVCE1243.6pF6.27A6.30kV6.40kVCE2244.1pF6.49A6.51kV6.40kVCEM1 (CEM2)25.5pF0.47A4.51kV4.29kVLs234.3mH6.97A6.67kV6.39kV在相同输入输出电压、输出功率、工作频率条件下，对比组的无源谐振元件计算与实验数据如表2所示。无源谐振元件实验电压与计算电压相近，且最大实验电压7.89kV大于最优参数组中的最大实验电压6.67kV，因此实验结果表明，电压优化方法可有效限制CPT系统在功率最大点的无源谐振元件电压，从而提高系统安全裕度。表2 对比组元件计算与实验数据元件测量参数实验电流实验电压计算电压Cp4.751nF9.86A0.51kV0.47kVLp13.06mH11.10A0.59kV0.53kVLm272.5mH4.68A5.21kV5.07kVCE1201.2pF4.51A5.49kV5.33kVCE2200.8pF6.44A7.85kV7.70kVCEM1 (CEM2)25.5pF0.48A4.61kV4.39kVLs283.3mH6.82A7.89kV7.69kV44结论针对CPT系统无源谐振元件承受电压过大的问题，本文基于CLLC-CL补偿拓扑提出了一种可以限制系统无源谐振元件电压最大值的电压优化方法，从而提高系统运行的稳定性和安全裕度。实验搭建了最优参数下的CPT系统，实现大功率能量传输且实验电压和计算电压相近。同时，本文设计了相同传输条件下非最优参数的CPT系统，其无源谐振元件最大实验电压大于最优参数组最大实验电压，这样的实验结果验证了所提电压优化系统参数设计的正确性。
引用本文陈阳琦，陈丽华，罗博，胡杰，麦瑞坤，一种电场耦合式无线电能传输系统无源谐振元件电压优化方法研究[J]，电工技术学报，2018, 33(10):2237-2244.Chen Yangqi, Chen Lihua, Luo Bo,et al. Voltage Optimization Method of Passive Resonant Elements in Electric Field Coupled Power Transmission System[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(10):2237-2244.团队及作者简介