非接觸式松耦合感應電能傳輸系統原理分析與設計??

摘要：給出了非接觸式松耦合感應電能傳輸的基本原理，討論了影響系統電能傳輸的關鍵因素。針對不同的應用場合，對原副邊進行了補償設計，提高電能傳輸效率和減小供電電源的電壓電流定額。并對系統穩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的一般設計方法。

關鍵詞：非接觸式；感應電能傳輸；松耦合；系統設計

0??? 引言

??? 接觸式電能傳輸通過插頭—插座等電連接器實現電能傳輸，在電能傳輸領域得到了廣泛使用。但隨著用電設備對供電品質、安全性、可靠性等要求的不斷提高，這一傳統電能傳輸方法所固有的缺陷，已經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。在給氣密儀器設備內部供電時，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設計，成本高且難以確保設備的氣密性。

??? 為了解決傳統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，分析了影響系統電能傳輸的關鍵因素；接著圍繞著提高系統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計；對系統的穩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的一般設計方法。

1??? 非接觸式感應電能傳輸系統

??? 非接觸式感應電能傳輸系統的典型結構如圖1所示。系統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，通過磁場耦合相聯系。原邊電路把電能轉換為磁場發射，經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節裝置，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。基本形式如圖2(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典型結構

（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，彌補了傳統接觸式電能傳輸的固有缺陷。另一方面較大氣隙的存在使得系統構成的磁耦合關系屬于松耦合（由此，這種新穎電能傳輸技術通常也稱為松耦合感應電能傳輸技術，記為LCIPT），漏磁與激磁相當，甚至比激磁高，限制了電能傳輸的大小和傳輸效率。為此，通常需要在原副邊采用補償網絡來提升電能傳輸的大小和傳輸的效率，同時減小電源變換器的電壓電流應力。而且在該系統的分析中，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中的電磁關系，同時考慮漏感和磁化電感對系統工作的影響。

??? 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等效電路圖

??? 設原邊用于磁場發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。根據耦合關系，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。

??? 若副邊線圈的品質因數為Q_s，則在以上參數下，副邊線圈能夠獲得的最大功率為

??? P_s=??? （3）

??? 從式(3)可以看出，提高電能傳輸的大小可以通過增大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系統中，M值一般較小，而且一旦磁耦合裝置設計完成后，M和L_s的值就基本固定了。能夠作調整的是乘積量(ωI_p²Q_s)。從工程設計角度考慮，在參數選擇設計中，Q_s一般不會超過10，否則系統工作狀態將對負載變化、元件參數變化和頻率變化非常敏感，系統很難穩定。由此對傳輸電能大小調節余度最大的是乘積ωI_p²。從該關系式可見頻率與發射電流的關系：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量不變情況下，采用高頻的LCIPT系統與采用低頻的LCIPT系統相比，所需的發射電流大大降低，電源變換器電流應力及系統成本大大降低。因而LCIPT比較適合采用高頻系統。但限于目前功率電子技術水平和磁場發射相關標準，系統頻率受到限制。根據應用場合的不同，系統采用的頻率范圍一般在10kHz～100kHz之間。

2??? 系統補償

2.1??? 副邊補償

??? 在松耦合感應電能傳輸系統中，若副邊接受線圈直接與負載相連，系統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計。如圖4所示，基本的補償拓撲有電容串聯補償和電容并聯補償兩種形式。

（a）未加補償? （b）電容串聯補償? （c）電容并聯補償

圖4??? 副邊補償拓撲

??? 在電容串聯補償電路中，副邊網絡的阻抗為

??? Z_s=R＋jωL_s＋??? （5）

??? 輸出功率為

??? P_o=??? （6）

??? 當補償電容C_s取值滿足與副邊電感L_s在系統工作頻率處諧振時，副邊網絡感抗與容抗互消，為純電阻，輸出電壓與負載無關，等效于輸出電壓為副邊開路電壓的恒壓源，理論上電能傳輸不受限制。

??? 電容并聯補償電路副邊網絡的導納為

??? Y_s=＋jωC_s??? （7）

??? 輸出功率為

??? P_o=??? （8）

式中：I_sc為副邊短路電流。

??? 當補償電容C_s取值滿足與副邊電感L_s在系統工作頻率處諧振時，副邊網絡感納與容納互消，為純電導，輸出電流與負載無關，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頻率，補償電容的取值應滿足式(5)和式(7)中的虛部為零。

??? 在松耦合感應電能傳輸系統中，副邊電路對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來表示。

??? Z_r=??? (9)

式中：Z_s對應副邊網絡阻抗，見式(5)和式(7)，反映阻抗結果列于表1中(ω₀為系統頻率)。

表1??? 原副邊采取不同補償拓撲時的補償電容及反映阻抗值

2.2??? 原邊補償

??? LCIPT系統中，原邊載流線圈中流過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，系統成本高。為此，必須采取必要的補償措施，來有效降低變換器電壓電流定額。與副邊補償相似，根據電容接入電路的連接方式，也可采用串聯補償和并聯補償兩種基本補償電路。

??? 在電容串聯補償電路中，電源的負載阻抗為

??? Z_t=jωL_p＋＋Z_r??? (10)

??? 電容電壓補償了原邊繞組上的電壓，從而降低了電源的電壓定額。

??? 在電容并聯補償電路中，電源的負載導納為

??? Y_t==jωC_p＋??? (11)

??? 電容電流補償了原邊繞組中的電流，從而降低了電源的電流定額值。設計時保證式（10）和式（11）的虛部在系統諧振頻率處為零，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。其結果列于表2中。

表 2??? 原 邊 補 償 電 容 值

??? 原邊采取何種補償電路，對應用場合的依賴性很大。當原邊采用較長電纜時，電纜端電壓會很高，適合采用串聯補償，降低電源電壓應力；當原邊采用集中繞組時，為了磁場發射需要，一般要求較高電流，適合采用并聯補償，降低電源電流應力。

3??? 系統穩定性和控制

??? LCIPT系統中，原副邊都采用電容補償時，系統是一個四階系統，在某些情況下，會出現分歧現象。特別是在原邊電路的品質因數Q_p比副邊電路的品質因數Q_s小，或兩者相當時，系統很可能不穩定，此時必須對系統進行透徹的穩定性分析。同時，在LCIPT系統中，控制方案的合理選擇對系統穩定和電能傳輸能力非常關鍵。目前，常采用兩種基本控制方案：恒頻控制和變頻控制。

??? 恒頻控制有利于電路元件的選擇，但恒頻控制對應的問題是，電路實際工作中電容不可避免地會因為損耗產生溫升，導致電容量下降，副邊實際工作諧振頻率會升高，原副邊電路不同諧，使得電能傳輸受損。變頻控制可以通過實時控制原邊諧振頻率，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系很可能出現分歧現象，引起系統不穩定。為此，必須對原副邊的品質因數加以嚴格限制。

4??? LCIPT系統設計

??? 對于緊耦合感應電能傳輸系統，原副邊的電能關系可以近似用原副邊匝比變換關系來表示，因而其系統設計可以分為三個獨立部分：原邊電路、緊耦合磁件、副邊電路，分別進行設計。緊耦合磁件的設計也有較成熟的設計步驟可依。

??? 但在松耦合感應電能傳輸系統中，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系由多個變量決定，這些變量必須根據現有功率電子水平，及相關設計經驗初選一些值，然后根據相關公式進行下一步計算，確定參數。在整個設計過程中，所出現的多個變量都必須進行選擇，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系。因而，松耦合感應電能傳輸系統的設計比緊耦合感應電能傳輸系統要復雜得多。這里把松耦合感應電能傳輸系統中出現的每個變量的含義，及選取方法做一說明，并繪成相應的流程圖，如圖5所示，以便理解。設計步驟如下。

圖5??? LCIPT系統設計流程

4.1??? 選擇頻率

??? 選擇系統工作頻率是LCIPT系統設計的第一步，從式(3)可以看出，頻率大小的選取，與電源的復雜程度、成本及系統電能傳輸大小有密切關系。要綜合考慮應用場合對系統體積重量要求、目前功率電子水平及相關系統的設計經驗來選取頻率。就目前功率電子水平及系統成本考慮，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步，系統頻率可望進一步提高，從而使得系統體積更小、重量更輕。

4.2??? 選擇松耦合感應裝置

??? 緊耦合感應裝置（如廣泛采用的變壓器）的結構一般受限于現有的鐵芯結構，因而結構形式有限。但松耦合感應裝置卻不受鐵芯結構限制，根據各種應用場合的需要，可能會出現多種結構形式。在很大程度上，這些松耦合感應裝置要依靠相關的設計經驗來選擇。確定松耦合感應裝置結構后，要標定一些基本的參數，如原副邊線圈電感量、耦合系數、互感等。

4.3??? 選擇原邊電流I_p

??? 在LCIPT系統中，傳輸電能大小、原邊電源變換器的成本都與用于磁場發射的原邊電流I_p直接相關。一般從相對較小的電流值開始選取I_p，從而對應電源的低電流應力。若經計算后，這一I_p電流值不滿足系統電能傳輸要求，可進一步增大電流值，再進行計算驗證，直至系統設計滿足要求。

4.4??? 確定(V_ocI_sc)值

??? 根據所選擇的電磁裝置，在原邊電流為所選I_p時，測試出副邊接受線圈的開路電壓V_oc和短路電流I_sc。確定這一乘積(V_ocI_sc)也可以用一個與設計的接受線圈同匝數的小尺寸接受線圈來完成，避免因為接受線圈電流定額不夠而返工。當然，也可采用相應的電磁場仿真軟件包進行模擬設計。但仿真設計過程比較復雜。

4.5??? 確定副邊補償

4.5.1??? 副邊補償等級

??? 副邊電路不加補償時，負載能夠獲得的最大功率傳輸等于(V_ocI_sc/2)。如果負載所需功率值超過這一值，則副邊需要采用補償電路，副邊電路的品質因數可用式（12）計算。

??? Q_s=??? (12)

式中：P為至負載的傳輸功率。

??? 從而副邊所需要的V·A定額為

??? S_s=P??? (13)

??? 如果副邊實際的VA定額高于式(13)的計算值，系統就可以傳輸所需的功率。反之，該設計不能傳輸所需功率P，必須對設計作出相應的調整來增加功率傳輸能力。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；

??? ——改進電磁裝置的耦合程度，提高互感值M；

??? ——適當提高系統頻率。

??? 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裝置的成本；第4種方案受現有功率電子技術的限制。實際設計中，應綜合考慮性能和成本選擇性價比最好的方案作為最優設計。

4.5.2??? 副邊補償拓撲

??? 當副邊VA定額滿足設計要求后，下一步就應當確定副邊補償具體采用的拓撲形式。補償拓撲的選擇依賴于具體的應用場合。并聯補償對應電流源特性，適合于電池充電器等場合；串聯補償對應于電壓源特性，適用于電機驅動供電等場合。

4.6??? 確定原邊補償

??? 副邊補償設計完成后，設計原邊補償。根據已知的原邊電流和松耦合感應裝置原邊繞組電感量，可以確定原邊繞組端電壓。從而計算出原邊VA定額，用實際傳輸功率除以這一VA定額，可以得到原邊品質因數Q_p的大小。如前所述，原邊補償電路形式也取決定于應用場合。當原邊采用較長電纜時，適合采用串聯補償；當原邊采用集中繞組時，適合采用并聯補償。

4.7??? 系統穩定性和控制性核查

??? 最后一步要對系統穩定性和控制性進行核查，這是系統能否在實際應用場合被采用的最關鍵的一步。如上所述，若Q_p<Q_s必須對系統進行透徹的穩定性分析。若系統不能保證在所有工作情況下控制穩定，就必須對系統參數進行調整。常用的方法包括增大原邊電流、改進松耦合感應裝置的結構或改變系統頻率等。

5??? 結語

??? 文中給出了松耦合感應電能傳輸的基本原理，基于系統補償設計和系統控制問題的討論，給出了松耦合感應電能傳輸系統的一般性設計方法，這一系統的設計在很大程度上依賴于設計者對各設計參量之間相互依賴關系的理解，需要特別注意的是在各參數設計完成后，要對整個系統的穩定性和可控性進行全面的考察，確保系統設計的有效性。