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松耦合感应电能传输系统的设计

新西兰，奥克兰大学电气与电子工程系

O.H. Stielau, G.A. Covic

摘要：本文提出了一个感应耦合电能传输系统的设计方法。以前的无限电能传输系统给移动载荷供电通常是要通过大的间隙。这种传输系统会有较大的漏感，电路补偿对提高电能传输能力是必不可少的。本文讨论了补偿的参数选择和补偿的拓补结构。特别应该注意在设计过程中涉及的权衡问题。

关键词：电磁感应，电磁耦合，感应电能传输，感应传输装置，设计

1概述

感应电能传输系统（IPT）定义为能量通过交流磁场从初级线圈传到次级线圈。这种系统可以分为两类,即紧耦合感应电能传输系统和松耦合感应电能传输系统。

紧耦合感应电能传输系统是线圈从原边到副边耦合程度非常好的一种系统。在这个系统中漏电感相对于励磁电感非常小。这样的系统在能量传输系统的应用中非常常见，有各种结构和型号的变压器都是基于这样的原理的。

松耦合感应电能传输系统是线圈从原边到副边耦合程度差的一种系统。在这个系统中漏电感比励磁电感大的多。这样的系统通常用在有机械约束的应用领域，但在其他情况下，也可以应用于副边可以相对原边没有物理约束的场合。这样的的系统的例子就是无线充电[1-3]，电动汽车[4,5]，滑移变压器[6]，机器人领域[7,8]，在潮湿环境或是危险环境下的无限电能传输[9]和水下电能传输[10]，由于传输效率很难提高的问题，这样的系统很少在实际应用中见到，但随着电力电子技术的发展这种情况会得到改变。

紧耦合电能传输系统的设计过程是比较容易的。但是松耦合电能传输系统的设计相对就比较复杂了。在之前的文献中已经有了很多的设计例子[4,9]，但却没有形成一个设计一整套IPT的完整的设计方法。这篇文章就提出了一个设计的方法去解决设计松耦合IPT系统额外的复杂性。主要的目的就是优化系统结构使其传输能力达到一定的要求。

这篇文章绝不是全面的，假设所有的主要参数都是已知的。最主要的一个参数是工作频率，工作频率是对传输能力的最大的影响因素在任何一个感应耦合系统中。

2 IPT系统的构成

图 1概括的展示了IPT系统的基本组成。粗线框中的部分是必要的结构不管是紧耦合系统还是松耦合系统中，虚线框中的结构只存在于松耦合系统中。因为在松耦合系统中初级线圈与次级线圈之间存在大量的漏磁，电路补偿对能量传输效率的提高是不可缺少的。由此可见松耦合IPT系统要比紧耦合系统复杂的多。

图 1 IPT系统组成示意图

对于紧耦合系统来说，以变压器为例，通到原边线圈上的电压的大小决定整个磁芯的磁通量的大小。为了最有效的使用线圈，原边线圈应该通与额定磁通密度相对应的额定电压，因为磁通量与负载成一定的线性关系。

对于松耦合系统来说，为了降低成本，初级线圈通常不使用磁芯。由于没有磁芯，一大部分的磁动势将会穿过没有介质的间隙。在这种情况下，为了最有效的使用初级线圈，应该对初级线圈通以的额定的电流，并使其在负载端产生相应变化的电压。所以电源需要给初级线圈或轨道提供一个可控的电流。图 2中展示了松耦合IPT系统中主要的参数。

图 2 松耦合IPT系统中主要的参数

为了区分原边与副边的参数，其下标分别用p和s表示。原边线圈或导轨用频率为omega;幅度为i_p正弦交流电激励。

能量传递的基本方程为：

和

副边感应电压v_p取决去原边电压幅值i_p，反馈电压v_p取决于副边的电压幅值i_s，激励电压的频率omega;和原边与副边的耦合系数M。

原边线圈的漏感为L_p，则副边线圈的漏感为L_s。这些漏感值相当大，以至于限制了线圈的传输能力。

3 补偿的设计

漏感补偿并不是一个新出的概念，它经常用在电源系统中。常见的例子包括使用功率因数校正电容器或长输电线路的串联补偿。然而,在电力系统中,无功功率通常小于传输有功功率,而在松散耦合的系统补偿水平可以传输功率高达50倍。

补偿漏感时,需要做出两种选择。首先必须决定补偿拓扑结构,其次需要确定补偿的具体参数。

3.1补偿拓扑结构

有两种基本补偿拓扑结构,即串联补偿和并联赔偿。串联补偿既补偿电容与原边或副边的漏电感串联,而并联补偿则是补偿电容器与原边或副边的漏电感并联。加上无补偿的情况,不管是原边还是副边一共有三种基本拓扑形式,因此在完整的系统中一共有九种基本拓扑存。这九个拓扑结构如所示。

图 3补偿拓补结构

副边补偿拓扑已经在文献[3]中详细论述过了。串联补偿使副边呈现电压源的特征，非常适合于以直流为中间介质的总线[11]。并联补偿结构有直流电源的特征，非常适合于对电池充电的情况[1,3]。

原边补偿很大程度上取决去应用场合。在长导轨中的应用，使得导轨电压变得很高。这种情况下，如果使用串联补偿将会是供应电压降低到可控的程度[6]。如果在初级线圈比较多的场合，通常需要较大的激励电流，这种情况下并联补偿更好一些[12]。

3.2补偿值

通过线圈共振时的功率因数很容易计算出来电路的补偿值。功率因数可以通过线圈中有功功率和无功功率的比值计算得到。如果原边和副边都进行可补偿，就会出现两个功率因数，原边的功率因数Q_p和副边的功率因数Q_s。它们可以分别用以下公式计算：

和

VAR_P和VAR_S分别为初级线圈和次级线圈的无功功率。

对副边线圈来说，通过提高VA值可以使功率因数Q_s增大从而使电能传输能力提高。功率因数Q_s是一个重要的设计参数，这将会在第4节中详细论述。在实际的电路中，Q_s典型值的范围是2到10。

原边线圈的功率因数取决于原边线圈的结构参数和励磁电流。不同的设计方法所得到的原边线圈的功率因数Q_p是不同的，其特征值在2到50之间。

原边功率因数Q_p和副边功率因数Q_s的比率是非常重要的，这可以分成三类既Q_pgt;gt;Q_s，Q_p~Q_s，和Q_plt;lt;Q_s。从稳定的角度来看，最好是Q_pgt;gt;Q_s，但这样做并不总是最好的设计结果。第5节将会论述其中的平衡关系。

4 电磁结构的性能

在设计松耦合系统的困难之一是缺乏一些电磁性能设计与电气设计相联结的简单，易于使用的参数。在松耦合的系统设计中总存在电磁设计和电气设计相互权衡的情况，电磁设计的参数越少，电气设计就会变得越困难,反之亦然。进一步研究这个问题,相同的电磁结构可能存在的名义输出功率在很大的范围内的情况，这取决于电气系统的设计。

为了解决这个问题，系统依照两个参数指定次级线圈的额定功率，既次级线圈的额定无功功率S_s和次级线圈转移阻抗。这两个参数将在下面详细的论述。

4.1次级线圈的额定无功功率VA

次级线圈的无功功率是次级线圈的电流和次级线圈额定电压的乘积。次级线圈的额定电流取决于次级线圈的铜损，而且在额定电流下线圈的温度必须在允许的温度以下。次级线圈的额定电压取决于铁损，而且在额定电压下磁芯的温度不能超过磁芯所允许的温度。次级线圈在额定电压和额定电流下所有的能量损失不能太高。

额定无功功率VA只和系统的结构参数和次级线圈的材料性能有关，和补偿的拓补结构或补偿值没有关系。但是无功功率是频率的函数，频率越大无功功率越大。

4.2转移阻抗

转移阻抗Z_transfer给了一个测量电磁结构传递电能能力的方法，它也是电磁结构和所使用材料的函数。它的定义式为

其中：i_p---原边电流

V_oc---原边开路电压

I_sc---原边短路电压

原边开路电压和短路电压是两个比较容易测量的参数，却成了设计过程中重要的一个部分。没有必要去制造一个新的次级线圈去做测量，用一个与次级线圈匝数相同的线圈就可以满足测量要求。唯一的条件是测试线圈的阻抗比感抗低，最后设计的线圈的短路电流值将会低于测量的值。

也可以使用电磁仿真软件来确定V_oc*I_sc的结果。但是工作的频率通常在几十kHz，这个频率下仿真任然是比较难的，这需要很好的网格质量去计算感应涡流。

转移阻抗是直接测量传输效率的一个参数。它能用来比较不同的电磁设计，转移阻抗越大设计越好。通常转移阻抗会改变如果原边线圈与副边线圈之间有相对运动，在这种情况下转移阻抗需要与其位置形成一点的函数关系。

5 稳定性设计

一个非常重要的设计理念是保证系统能稳定的保持在满载的状态。系统初级补偿和次级补偿本质上是四阶系统，并在一定条件下分叉的现象。这样的现象已经被论证[1，13]，这种现象产生的条件也已经被证明。一个简单的规则是，如果初级线圈的品质因数(Q_p)远远大于次级线圈的品质因数(Q_s)，该系统通常会表现出稳定的特性，当Q_sgt;Q_p时需要做进一步的系统稳定性分析。

供应电源的特性在这个分析中具有重要的意义。通过改变供应电源的频率，电能传输能有被控制。应用这样的供应电源的控制器通常对供应电压和电流的相位差非常灵敏，因为相位差的变化使得供应电源的分叉点变得不稳定。

使用固定频率的供应电源，这个问题变成了电能传输中的一个实际的难题问题。次级线圈的特征是频率的函数，极少的共振频率的误差将会使通过次级补偿得到的高品质因数的线圈的传输能力急剧下降。一个完整的分析超出了本文的范围，但已经存在了一个模型来确定初级线圈与次级线圈之间的耦合的程度[14]。

6 设计方法

6.1假设

由于设计松耦合IPT系统的复杂性，做出一些假设是有必要的。一个重要的假设是工作频率已经知道了。工作频率的选择涉及到供应电源的成本和复杂程度的最优化，和电磁结构和传输能力的最优化问题。

IPT系统的电能传输能力和工作频率具有很大的关系。理论上这种关系是线性的，但是由于集肤效应和临近效应的影响，这使得铁损增加，传输能力与工作频率形成了非线性的关系。另一方面，随着工作频率的增加，供应电源的成本与复杂程度也会随之上升。为了确定最佳频率，一个迭代的过程是必要的。

按照当前的电气技术水平，对于千瓦级的传输系统，最经济的的传输频率是在10kHz到100kHz之间[1-2,6]，甚至是更高或更低的传输级别[9]。这个频率会随着技术的进步而有所改变。

紧耦合结构设计和松耦合结构设计将采用程序框图的形式论述。一眼就可以看出松耦合结构设计比紧耦合结构设计复杂的多。

6.2 紧耦合IPT系统的设计方法

图 4所示的流程图中展示了设计紧耦合IPT系统的常用方法就像在设计一个普通的变压器。主要的设计参数就是磁芯的最优结构设计。

图 4紧耦合IPT系统的设计

给定一个磁芯的结构，可以计算出线圈的参数。如果线圈不能与磁芯很好的匹配，将会改用更大一点的磁芯。如果安装位置是有限的，要选择小一点的磁芯。

6.3松耦合IPT系统的设计

如图 5所示的程序框图，他说明了一个松耦合IPT系统的设计过程。根据这个流程做出相应的选择，系统中各个组件的选择主要受其成

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