非接觸式松耦合感應電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設(shè)計

摘要：給出了非接觸式松耦合感應電能傳輸?shù)幕驹?，討論了影響系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。針對不同的應用場合，對原副邊進行了補償設(shè)計，提高電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額。并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性問題進行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式松耦合感應電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：非接觸式；感應電能傳輸；松耦合；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

接觸式電能傳輸通過插頭—插座等電連接器實現(xiàn)電能傳輸，在電能傳輸領(lǐng)域得到了廣泛使用。但隨著用電設(shè)備對供電品質(zhì)、安全性、可靠性等要求的不斷提高，這一傳統(tǒng)電能傳輸方法所固有的缺陷，已經(jīng)使得眾多應用場合不能接受接觸式電能傳輸，迫切需要新穎的電能傳輸方法。

在礦井、石油鉆采等場合，采用接觸式電能傳輸，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，就很可能引起爆炸，造成重大事故。在水下場合，接觸式電能傳輸存在電擊的潛在危險[3]。在給移動設(shè)備供電時，一般采用滑動接觸供電方式，這種方式在使用上存在諸如滑動磨損、接觸火花、碳積和不安全裸露導體等缺陷。在給氣密儀器設(shè)備內(nèi)部供電時，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設(shè)計，成本高且難以確保設(shè)備的氣密性。

為了解決傳統(tǒng)接觸式電能傳輸不能被眾多應用場合所接受的問題，迫切需要一種新穎的電能傳輸方法。于是，非接觸式感應電能傳輸應運而生，成為當前電能傳輸領(lǐng)域的一大研究熱點。本文首先給出了這種新穎電能傳輸方法的基本原理，分析了影響系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵因素；接著圍繞著提高系統(tǒng)電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額的要求，針對不同應用場合，對原副邊進行了相應的補償設(shè)計；對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性問題進行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計方法。

1 非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)

非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由原邊電路和副邊電路兩大部分組成。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場耦合相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場發(fā)射，經(jīng)過這段氣隙后副邊電路通過接受裝置，匝鏈磁力線，接受磁場能量，并通過相應的能量調(diào)節(jié)裝置，變換為應用場合負載可以直接使用的電能形式，從而實現(xiàn)了非接觸式電能傳輸（文中負載用電阻表示以簡化分析）。磁耦合裝置可以采用多種形式?；拘问饺鐖D2(a)原邊繞組和副邊繞組分別繞在分離的鐵芯上；圖2(b)原邊采用空芯繞組，副邊繞組繞在鐵芯上；圖2(c)原邊采用長電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。

圖1 非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

（a）原邊繞組繞在鐵芯上（b）原邊采用 空芯繞組（c）原邊采用長電纜

圖2 幾種基本的磁耦合裝置

在該非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路之間較大氣隙的存在，一方面使得原副邊無電接觸，彌補了傳統(tǒng)接觸式電能傳輸?shù)墓逃腥毕荨Ａ硪环矫孑^大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的磁耦合關(guān)系屬于松耦合（由此，這種新穎電能傳輸技術(shù)通常也稱為松耦合感應電能傳輸技術(shù)，記為LCIPT），漏磁與激磁相當，甚至比激磁高，限制了電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏斝省榇?，通常需要在原副邊采用補償網(wǎng)絡(luò)來提升電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)男?，同時減小電源變換器的電壓電流應力。而且在該系統(tǒng)的分析中，因磁耦合裝置為松耦合，因此，通常用于磁性元件分析的變壓器模型不再適用，必須采用耦合電感模型分析該系統(tǒng)中的電磁關(guān)系，同時考慮漏感和磁化電感對系統(tǒng)工作的影響。

圖3給出磁耦合裝置采用耦合電感模型的系統(tǒng)等效電路圖。原副邊磁耦合裝置的互感記為M。

圖3 采用耦合電感模型的系統(tǒng)等效電路圖

設(shè)原邊用于磁場發(fā)射的高頻載流線圈通過角頻率為ω，電流有效值為I_p的交流電。根據(jù)耦合關(guān)系，副邊電路接受線圈中將會感應出電壓

V_oc=jωMI_p （1）

相應的，諾頓等效電路短路電流為

I_sc= （2）

式中：L_s為副邊電感。

若副邊線圈的品質(zhì)因數(shù)為Q_s，則在以上參數(shù)下，副邊線圈能夠獲得的最大功率為

P_s= （3）

從式(3)可以看出，提高電能傳輸?shù)拇笮】梢酝ㄟ^增大ω，I_p，M和Q_s或減小L_s。但受應用場合機械安裝和成本限制，LCIPT系統(tǒng)中，M值一般較小，而且一旦磁耦合裝置設(shè)計完成后，M和L_s的值就基本固定了。能夠作調(diào)整的是乘積量(ωI_p²Q_s)。從工程設(shè)計角度考慮，在參數(shù)選擇設(shè)計中，Q_s一般不會超過10，否則系統(tǒng)工作狀態(tài)將對負載變化、元件參數(shù)變化和頻率變化非常敏感，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。由此對傳輸電能大小調(diào)節(jié)余度最大的是乘積ωI_p²。從該關(guān)系式可見頻率與發(fā)射電流的關(guān)系：提高頻率ω，可以減小原邊電流I_p，反之亦然。在傳輸相等電能及其它相關(guān)量不變情況下，采用高頻的LCIPT系統(tǒng)與采用低頻的LCIPT系統(tǒng)相比，所需的發(fā)射電流大大降低，電源變換器電流應力及系統(tǒng)成本大大降低。因而LCIPT比較適合采用高頻系統(tǒng)。但限于目前功率電子技術(shù)水平和磁場發(fā)射相關(guān)標準，系統(tǒng)頻率受到限制。根據(jù)應用場合的不同，系統(tǒng)采用的頻率范圍一般在10kHz～100kHz之間。

2 系統(tǒng)補償

2.1 副邊補償

在松耦合感應電能傳輸系統(tǒng)中，若副邊接受線圈直接與負載相連，系統(tǒng)輸出電壓和電流都會隨負載變化而變化，限制了功率傳輸。

P_o= （4）

為此，必須對副邊進行有效的補償設(shè)計。如圖4所示，基本的補償拓撲有電容串聯(lián)補償和電容并聯(lián)補償兩種形式。

（a）未加補償 （b）電容串聯(lián)補償 （c）電容并聯(lián)補償

圖4 副邊補償拓撲