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