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非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設(shè)計(jì)
摘要：給出了非接觸式松耦合感應(yīng)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)原副邊進(jìn)行了補(bǔ)償設(shè)計(jì)，提高電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額。并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性問(wèn)題進(jìn)行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：非接觸式；感應(yīng)電能傳輸；松耦合；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言
接觸式電能傳輸通過(guò)插頭—插座等電連接器實(shí)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(duì)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(yīng)用場(chǎng)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[1]。
在礦井、石油鉆采等場(chǎng)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[2]。在水下場(chǎng)合，接觸式電能傳輸存在電擊的潛在危險(xiǎn)[3]。在給移動(dòng)設(shè)備供電時(shí)，一般采用滑動(dòng)接觸供電方式，這種方式在使用上存在諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、碳積和不安全裸露導(dǎo)體等缺陷[4][5]。在給氣密儀器設(shè)備內(nèi)部供電時(shí)，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設(shè)計(jì)，成本高且難以確保設(shè)備的氣密性[6]。
為了解決傳統(tǒng)接觸式電能傳輸不能被眾多應(yīng)用場(chǎng)合所接受的問(wèn)題，迫切需要一種新穎的電能傳輸方法。于是，非接觸式感應(yīng)電能傳輸應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前電能傳輸領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。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(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)原副邊進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性問(wèn)題進(jìn)行了討論。最后，基于以上分析，給出非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法。
1非接觸式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)
非接觸式感應(yīng)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(guò)磁場(chǎng)耦合相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)發(fā)射，經(jīng)過(guò)這段氣隙后副邊電路通過(guò)接受裝置，匝鏈磁力線，接受磁場(chǎng)能量，并通過(guò)相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置，變換為應(yīng)用場(chǎng)合負(fù)載可以直接使用的電能形式，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸式電能傳輸（文中負(fù)載用電阻表示以簡(jiǎn)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(zhǎng)電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。
在該非接觸式感應(yīng)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(wú)電接觸，彌補(bǔ)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(yīng)電能傳輸技術(shù)，記為L(zhǎng)CIPT），漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高，限制了電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏斝�。為此，通常需要在原副邊采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)提升電能傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)男�，同時(shí)減小電源變換器的電壓電流應(yīng)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(shí)考慮漏感和磁化電感對(duì)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。
設(shè)原邊用于磁場(chǎng)發(fā)射的高頻載流線圈通過(guò)角頻率為ω，電流有效值為Ip的交流電。根據(jù)耦合關(guān)系，副邊電路接受線圈中將會(huì)感應(yīng)出電壓
Voc=jωMIp（1）
相應(yīng)的，諾頓等效電路短路電流為
式中：Ls為副邊電感。
若副邊線圈的品質(zhì)因數(shù)為Qs，則在以上參數(shù)下，副邊線圈能夠獲得的最大功率為
從式(3)可以看出，提高電能傳輸?shù)拇笮】梢酝ㄟ^(guò)增大ω，Ip，M和Qs或減小Ls。但受應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)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(jì)完成后，M和Ls的值就基本固定了。能夠作調(diào)整的是乘積量(ωIp2Qs)。從工程設(shè)計(jì)角度考慮，在參數(shù)選擇設(shè)計(jì)中，Qs一般不會(huì)超過(guò)10，否則系統(tǒng)工作狀態(tài)將對(duì)負(fù)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(duì)傳輸電能大小調(diào)節(jié)余度最大的是乘積ωIp2。從該關(guān)系式可見(jiàn)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Ip，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(yīng)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(chǎng)發(fā)射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)頻率受到限制。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，系統(tǒng)采用的頻率范圍一般在10kHz～100kHz之間。
圖4
2系統(tǒng)補(bǔ)償
2.1副邊補(bǔ)償
在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，若副邊接受線圈直接與負(fù)載相連，系統(tǒng)輸出電壓和電流都會(huì)隨負(fù)載變化而變化，限制了功率傳輸。
為此，必須對(duì)副邊進(jìn)行有效的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。如圖4所示，基本的補(bǔ)償拓?fù)溆须娙荽?lián)補(bǔ)償和電容并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式。
在電容串聯(lián)補(bǔ)償電路中，副邊網(wǎng)絡(luò)的阻抗為
輸出功率為
當(dāng)補(bǔ)償電容Cs取值滿足與副邊電感Ls在系統(tǒng)工作頻率處諧振時(shí)，副邊網(wǎng)絡(luò)感抗與容抗互消，為純電阻，輸出電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)，等效于輸出電壓為副邊開(kāi)路電壓的恒壓源，理論上電能傳輸不受限制。
電容并聯(lián)補(bǔ)償電路副邊網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納為
輸出功率為
式中：Isc為副邊短路電流。
當(dāng)補(bǔ)償電容Cs取值滿足與副邊電感Ls在系統(tǒng)工作頻率處諧振時(shí)，副邊網(wǎng)絡(luò)感納與容納互消，為純電導(dǎo)，輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，等于副邊短路電流，理論上電能傳輸不受限制。
為使副邊諧振頻率為系統(tǒng)頻率，補(bǔ)償電容的取值應(yīng)滿足式(5)和式(7)中的虛部為零。
在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，副邊電路對(duì)原邊電路的工作的影響，可以用副邊電路反映至原邊電路的反映阻抗Zr來(lái)表示。
式中：Zs對(duì)應(yīng)副邊網(wǎng)絡(luò)阻抗，見(jiàn)式(5)和式(7)，反映阻抗結(jié)果列于表1中(ω0為系統(tǒng)頻率)。
表1原副邊采取不同補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)的補(bǔ)償電容及反映阻抗值
副邊補(bǔ)償拓?fù)?br />
副邊補(bǔ)償電容Cs值
副邊電路反映至原邊的阻抗
電阻電抗
電容串聯(lián)補(bǔ)償
1/(ω02Ls)
(ω02M2)/R
0
電容并聯(lián)補(bǔ)償
1/(ω02Ls)
(M2R)/Ls2
�。�(ω02M2)/Ls
2.2原邊補(bǔ)償
LCIPT系統(tǒng)中，原邊載流線圈中流過(guò)有效值較高的高頻電流，可直接采用PWM工作方式的變換器獲得這一高頻電流，變換器的電壓電流定額較高，系統(tǒng)成本高。為此，必須采取必要的補(bǔ)償措施，來(lái)有效降低變換器電壓電流定額。與副邊補(bǔ)償相似，根據(jù)電容接入電路的連接方式，也可采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種基本補(bǔ)償電路。
在電容串聯(lián)補(bǔ)償電路中，電源的負(fù)載阻抗為
電容電壓補(bǔ)償了原邊繞組上的電壓，從而降低了電源的電壓定額。
在電容并聯(lián)補(bǔ)償電路中，電源的負(fù)載導(dǎo)納為
電容電流補(bǔ)償了原邊繞組中的電流，從而降低了電源的電流定額值。設(shè)計(jì)時(shí)保證式（10）和式（11）的虛部在系統(tǒng)諧振頻率處為零，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。其結(jié)果列于表2中。
原邊采取何種補(bǔ)償電路，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的依賴性很大。當(dāng)原邊采用較長(zhǎng)電纜時(shí)，電纜端電壓會(huì)很高，適合采用串聯(lián)補(bǔ)償，降低電源電壓應(yīng)力；當(dāng)原邊采用集中繞組時(shí)，為了磁場(chǎng)發(fā)射需要，一般要求較高電流，適合采用并聯(lián)補(bǔ)償，降低電源電流應(yīng)力[7]。
3系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制
LCIPT系統(tǒng)中，原副邊都采用電容補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)是一個(gè)四階系統(tǒng)，在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)分歧現(xiàn)象[8]。特別是在原邊電路的品質(zhì)因數(shù)Qp比副邊電路的品質(zhì)因數(shù)Qs小，或兩者相當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)很可能不穩(wěn)定，此時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分析。同時(shí)，在LCIPT系統(tǒng)中，控制方案的合理選擇對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和電能傳輸能力非常關(guān)鍵。目前，常采用兩種基本控制方案：恒頻控制和變頻控制[9]。
恒頻控制有利于電路元件的選擇，但恒頻控制對(duì)應(yīng)的問(wèn)題是，電路實(shí)際工作中電容不可避免地會(huì)因?yàn)閾p耗產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致電容量下降，副邊實(shí)際工作諧振頻率會(huì)升高，原副邊電路不同諧，使得電能傳輸受損[10]。變頻控制可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制原邊諧振頻率，使其跟蹤副邊諧振電路頻率，使得原副邊電路同諧，獲得最大電能傳輸。但在變頻控制中，電源輸入電壓和輸入電流相角與頻率之間的關(guān)系很可能出現(xiàn)分歧現(xiàn)象，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，必須對(duì)原副邊的品質(zhì)因數(shù)加以嚴(yán)格限制。
4LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，原副邊的電能關(guān)系可以近似用原副邊匝比變換關(guān)系來(lái)表示，因而其系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)獨(dú)立部分：原邊電路、緊耦合磁件、副邊電路，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。緊耦合磁件的設(shè)計(jì)也有較成熟的設(shè)計(jì)步驟可依。
但在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路的工作依賴性很大，如式(3)所示，原副邊的電能傳輸關(guān)系由多個(gè)變量決定，這些變量必須根據(jù)現(xiàn)有功率電子水平，及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初選一些值，然后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行下一步計(jì)算，確定參數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，所出現(xiàn)的多個(gè)變量都必須進(jìn)行選擇，而這些變量并非孤立的，而是相互之間都存在著一定的制約關(guān)系。因而，松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)要復(fù)雜得多。這里把松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的每個(gè)變量的含義，及選取方法做一說(shuō)明，并繪成相應(yīng)的流程圖，如圖5所示，以便理解。設(shè)計(jì)步驟如下。
4.1選擇頻率
選擇系統(tǒng)工作頻率是LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，從式(3)可以看出，頻率大小的選取，與電源的復(fù)雜程度、成本及系統(tǒng)電能傳輸大小有密切關(guān)系。要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)體積重量要求、目前功率電子水平及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取頻率。就目前功率電子水平及系統(tǒng)成本考慮，選擇10kHz～100kHz之間的頻率比較合理。隨著功率電子水平的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)頻率可望進(jìn)一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。
4.2選擇松耦合感應(yīng)裝置
緊耦合感應(yīng)裝置（如廣泛采用的變壓器）的結(jié)構(gòu)一般受限于現(xiàn)有的鐵芯結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)形式有限。但松耦合感應(yīng)裝置卻不受鐵芯結(jié)構(gòu)限制，根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要，可能會(huì)出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式。在很大程度上，這些松耦合感應(yīng)裝置要依靠相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇。確定松耦合感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)后，要標(biāo)定一些基本的參數(shù)，如原副邊線圈電感量、耦合系數(shù)、互感等。
4.3選擇原邊電流Ip
在LCIPT系統(tǒng)中，傳輸電能大小、原邊電源變換器的成本都與用于磁場(chǎng)發(fā)射的原邊電流Ip直接相關(guān)。一般從相對(duì)較小的電流值開(kāi)始選取Ip，從而對(duì)應(yīng)電源的低電流應(yīng)力。若經(jīng)計(jì)算后，這一Ip電流值不滿足系統(tǒng)電能傳輸要求，可進(jìn)一步增大電流值，再進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，直至系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。
4.4確定(VocIsc)值
根據(jù)所選擇的電磁裝置，在原邊電流為所選Ip時(shí)，測(cè)試出副邊接受線圈的開(kāi)路電壓Voc和短路電流Isc。確定這一乘積(VocIsc)也可以用一個(gè)與設(shè)計(jì)的接受線圈同匝數(shù)的小尺寸接受線圈來(lái)完成，避免因?yàn)榻邮芫�圈電流定額不夠而返工。當(dāng)然，也可采用相應(yīng)的電磁場(chǎng)仿真軟件包進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。但仿真設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜[11]。
4.5確定副邊補(bǔ)償
4.5.1副邊補(bǔ)償?shù)燃?jí)
副邊電路不加補(bǔ)償時(shí)，負(fù)載能夠獲得的最大功率傳輸?shù)扔?VocIsc/2)[11]。如果負(fù)載所需功率值超過(guò)這一值，則副邊需要采用補(bǔ)償電路，副邊電路的品質(zhì)因數(shù)可用式（12）計(jì)算。
式中：P為至負(fù)載的傳輸功率。
從而副邊所需要的V·A定額為
如果副邊實(shí)際的VA定額高于式(13)的計(jì)算值，系統(tǒng)就可以傳輸所需的功率。反之，該設(shè)計(jì)不能傳輸所需功率P，必須對(duì)設(shè)計(jì)作出相應(yīng)的調(diào)整來(lái)增加功率傳輸能力。一般可以考慮以下4種途徑：
——加粗接受線圈繞組線徑或增大鐵芯截面積；
——增大原邊電流；
——改進(jìn)電磁裝置的耦合程度，提高互感值M；
——適當(dāng)提高系統(tǒng)頻率。
第1種方案增加了副邊的成本；第2種方案增加了原邊的成本；第3種方案增加了松耦合感應(yīng)裝置的成本；第4種方案受現(xiàn)有功率電子技術(shù)的限制。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮性能和成本選擇性價(jià)比最好的方案作為最優(yōu)設(shè)計(jì)。
4.5.2副邊補(bǔ)償拓?fù)?br />
當(dāng)副邊VA定額滿足設(shè)計(jì)要求后，下一步就應(yīng)當(dāng)確定副邊補(bǔ)償具體采用的拓?fù)湫问�。補(bǔ)償拓?fù)涞倪x擇依賴于具體的應(yīng)用場(chǎng)合。并聯(lián)補(bǔ)償對(duì)應(yīng)電流源特性，適合于電池充電器等場(chǎng)合；串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于電壓源特性，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電等場(chǎng)合。
4.6確定原邊補(bǔ)償
副邊補(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)原邊補(bǔ)償。根據(jù)已知的原邊電流和松耦合感應(yīng)裝置原邊繞組電感量，可以確定原邊繞組端電壓。從而計(jì)算出原邊VA定額，用實(shí)際傳輸功率除以這一VA定額，可以得到原邊品質(zhì)因數(shù)Qp的大小。如前所述，原邊補(bǔ)償電路形式也取決定于應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)原邊采用較長(zhǎng)電纜時(shí)，適合采用串聯(lián)補(bǔ)償；當(dāng)原邊采用集中繞組時(shí)，適合采用并聯(lián)補(bǔ)償。
4.7系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性核查
最后一步要對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性進(jìn)行核查，這是系統(tǒng)能否在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合被采用的最關(guān)鍵的一步。如上所述，若Qp<Qs必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分析。若系統(tǒng)不能保證在所有工作情況下控制穩(wěn)定，就必須對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。常用的方法包括增大原邊電流、改進(jìn)松耦合感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)或改變系統(tǒng)頻率等。
5結(jié)語(yǔ)
文中給出了松耦合感應(yīng)電能傳輸?shù)幕驹�，基于系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制問(wèn)題的討論，給出了松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般性設(shè)計(jì)方法，這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者對(duì)各設(shè)計(jì)參量之間相互依賴關(guān)系的理解，需要特別注意的是在各參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性進(jìn)行全面的考察，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。
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