基于LCC补偿的多负载无线能量传输系统研究学术报告

作者及发表信息

本研究由Chenwen Cheng（美国圣地亚哥州立大学）、Fei Lu（美国德雷塞尔大学）、Zhe Zhou、Weiguo Li、Zhanfeng Deng、Fangyi Li（均来自中国国家电网全球能源互联网研究院）及Chris Mi（美国圣地亚哥州立大学，通讯作者）合作完成，发表于IEEE Transactions on Industrial Electronics期刊2020年6月第67卷第6期。研究得到国家电网科技项目“FACTS高压换流阀磁谐振无线供电技术研究”支持（项目编号：GEIRI-DL-71-17-011）。

学术背景

研究领域与动机
无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术通过磁场实现非接触式能量传递，近年来在电动汽车充电、医疗植入设备供电等领域发展迅速。然而，传统WPT系统仅支持单一负载供电，而多负载场景（如同时为多个电子设备充电或为多电平变流器的多个栅极驱动器供电）需解决负载间功率耦合问题。现有方案存在局限性：例如，多接收线圈系统需通过频率切换选择负载（仅能单负载工作），或采用中继线圈（Repeater Coils）但仅末端线圈连接负载。因此，本研究提出一种基于LCC（电感-电容-电容，Inductor-Capacitor-Capacitor）补偿拓扑的多负载WPT系统，通过中继线圈扩展传输距离，并为每个中继线圈独立连接负载，实现负载电流的负载无关性（Load-Independent）和灵活功率控制。

关键科学问题
1. 负载耦合问题：多负载系统中，单一负载变化可能影响其他负载功率；
2. 空间限制：补偿电路中的电感元件占用较大体积；
3. 效率优化：长距离传输需平衡耦合系数与系统效率。

研究流程与方法

1. 系统设计与拓扑结构

研究对象：
- LCC补偿单元：每个单元包含一个中继线圈（Repeater Coil, ( Ln )）、补偿线圈（Compensation Coil, ( L{f_n} )）及两个补偿电容（( Cn )、( C{f_n} )）。
- 多负载配置：系统包含( n+1 )个LCC单元（编号#0至#n），其中#0连接逆变器作为发射端，#1至#n分别连接独立负载电阻（( R_1 )至( R_n )）。

创新设计：
- 紧凑耦合器：采用双极线圈（Bipolar Coil）设计，将中继线圈与补偿线圈垂直放置以消除二者间寄生耦合，同时共轴集成以节省空间（图3）。
- 能量传递机制：补偿线圈不仅实现谐振，还通过磁场耦合向下一级中继线圈传递能量（图1）。

2. 工作原理分析

理论基础：
- 谐振条件：通过LCC补偿满足( 1/\omega0^2 = L{fn} \cdot C{f_n} = (Ln - L{f_n}) \cdot C_n )，确保系统工作在固定角频率( \omega_0 )。
- 叠加理论：将输入电压( V_0 )与负载电压( V_n )分别作用下的电流叠加，推导负载电流表达式（公式7），证明其与负载电阻无关。

仿真验证：
- 耦合系数优化：通过Maxwell三维有限元分析（FEA）模拟线圈布局（图4），确定最优参数：线圈边长150 mm、中继线圈宽度16 mm、补偿线圈宽度8 mm、铁氧体基板边长150 mm，耦合系数( k_1 )达0.48（图5-6）。

3. 实验平台搭建

实验配置：
- 硬件参数：工作频率85 kHz，中继线圈12匝，补偿线圈5匝，相邻单元间距30 mm（表I）。
- 测试方案：测量六负载系统下电流波形（图10）、负载电阻变化对电流的影响（图11）及系统效率（图12）。

主要结果

1. 负载无关性验证

• 理论结果：公式7表明负载电流仅取决于输入电压( V_0 )、角频率( \omega_0 )、互感和补偿电感，与负载电阻无关。
  
• 实验数据：当六负载电阻同步变化时，电流波动小于5%（图11）；非对称负载下（如( R_2 = R_4 = R_6 = 0 )），电流稳定性仍保持（图13）。
  

2. 效率与性能

• 峰值效率：系统最大效率达86.6%（负载归一化电阻( r/r_b = 0.14 )时，图12）。
  
• 耦合系数影响：仿真显示，提高线圈品质因数（( Q )）或耦合系数（( k )）可进一步改善电流稳定性（图8）。
  

结论与价值

科学价值

1. 拓扑创新：首次将LCC补偿应用于多负载WPT系统，通过中继线圈实现长距离能量传输与负载解耦。
   
2. 理论贡献：基于叠加理论严格证明了负载电流的无关性，为多负载WPT设计提供新范式。
   

应用价值

• 电力电子领域：适用于多电平变流器中栅极驱动器的隔离供电，解决不同开关电位下的绝缘问题。
  
• 消费电子：支持多设备同时无线充电，避免负载间干扰。
  

研究亮点

1. 双极线圈集成：通过垂直布局消除寄生耦合，实现紧凑设计（图3）。
   
2. 多功能补偿线圈：兼具谐振调谐与能量传递功能，提升系统集成度。
   
3. 高扩展性：实验验证六负载系统，理论可扩展至更多负载。
   

其他发现

• 铁氧体基板作用：增大基板尺寸可抑制非相邻线圈间耦合（图6），但需权衡( k_1 )下降的影响。
  
• 参数敏感性分析：负载电流对补偿电感精度要求较高，需严格控制制造公差。
  

本研究通过理论、仿真与实验的全链条验证，为多负载WPT系统提供了可靠解决方案，其紧凑设计与高效率特性具有显著的工程应用前景。