非接觸式松耦合感應電能傳輸系統原理分析與設計

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。