多負載非接觸電能傳輸系統傳輸效率方程

方群芳， 牛王強

(上海海事大學 科學研究院，上海 201306)

0 引 言

非接觸電能傳輸(Contactless Power Transfer，CPT)是一項新的電能傳輸技術，其發送和接收機構可以自由分開，用電設備以非接觸方式從固定電網中獲取電能.耦合模理論(Coupled-Mode Theory, CMT)是研究兩個或多個電磁波模式間耦合的一般規律的理論，近年來麻省理工學院的物理學家將CMT用于CPT系統的計算，以降低多線圈耦合電路計算的復雜性.KURS等[1]在磁共振系統中用CMT分析距離與效率的關系.劉志軍等[2]從電路方面分析多負載系統的效率和補償電容的選擇方法，提高傳輸效率.夏晨陽[3]給出適用于 CPT系統諧振耦合機構效率計算的一般公式，簡化CPT系統效率的求解過程.趙彪等[4]和傅文珍等[5]也從電路方面指出在諧振頻率下CPT系統傳輸效率最大.楊明生等[6]和謝衛等[7]對主電路拓撲結構進行深入研究，用電路理論(Circuit Theory, CT)推導出不同漏感補償拓撲下的補償參數.IMURA等[8]和KARALIS等[9]用電路方法分析CPT系統在不同距離下傳輸效率和耦合系數的變化，得出在不同距離下傳輸效率的變化規律.

以上學者僅僅用一種方法對CPT系統進行分析，接下來介紹用CMT和CT兩種方法分析的工作.劉宿城等[10]在磁共振中用兩種方法分析得出最佳的工作頻率就是諧振點，另外還表明CMT更適合描述諧振耦合狀態下系統能量的變化，并將兩種方法進行對比.牛王強等[11-12]用CMT和CT對比分析頻率的分裂現象，給出分裂頻率公式.KIANI等[13]用兩種理論分析在同一軸線上n個線圈中繼系統的效率問題，得到中繼無線電能傳輸系統CMT下的效率計算公式與CT下的計算公式完全等效.本文將美國學者的工作推進到多負載系統，指出在系統的諧振頻率處，多負載CPT系統CMT下的效率計算公式與CT下的計算公式完全等效，并進一步對單負載和雙負載的結論進行物理驗證.

本文僅分析穩態特性.首先用CT的思想解決兩個線圈的能量傳輸效率問題，然后通過CMT得出兩個線圈感應連接的能量傳輸效率方程，將兩個方程對比后發現可以變換為一套相同的公式.隨后分析3個線圈、4個線圈、一直到n-1個線圈都可以變換為同一套公式，最后給出兩個線圈和3個線圈的物理實驗結果，結果表明CT和CMT在估算能量傳輸效率方面的一致性.

圖1 單負載線圈的CPT拓撲結構

1 單負載的電路分析

1.1 電路分析

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 CMT分析

CPT系統分析中，常常只涉及穩態分析，在此也僅分析穩態特性.主線圈的幅值在正弦時為一個常數；同理，次線圈的幅值也是一個常數，兩個時間域線圈a1(t)，a2(t)的原始儲能可分別表示為|a1(t)|2，|a2(t)|2.由CMT[8-9]可得

(6)

(7)

在上述兩式中，Γ1，Γ2，ΓL分別為原線圈的損耗、負載線圈的損耗和負載的吸收功率，K12為兩個線圈的耦合率，Fs(t)為勵磁損耗(忽略不計).CMT中，a1(t)=A1e-jωt，a2(t)=A2e-jωt都是正弦信號；P1=2Γ1|A1|2，P2=2Γ2A2|2和PL=2ΓL|A2|2分別為原線圈、副線圈和負載的功率.由能量守恒定律可得

(8)

(9)

與式(5)對比可知，兩種方法求出的傳輸效率的表達式相同.

2 兩個負載電路的傳輸效率分析

2.1 電路分析

圖2 兩個負載線圈的CPT拓撲結構

對于圖2電路，M2和M3為L1分別與L2和L3的互感，RL2為線圈2所帶的負載，RL3為線圈3所帶的負載，K2和K3分別為兩個負載線圈的耦合系數.同理可得

(10)

(11)

(12)

在諧振狀態下的傳輸效率為

(13)

2.2 CMT分析

3個線圈的CMT分析和兩個線圈的CMT分析方法類似，如下所示：

jK13a3(t)+Fs(t)

(14)

(15)

(16)

(17)

3 3個負載電路的傳輸效率分析

圖3 3個負載線圈的CPT拓撲結構

對于圖3中3個負載電路的拓撲結構，用同樣的方法能夠證明用集總參數分析方法和CMT求傳輸效率是相同的.

(18)

(19)

求得傳輸效率公式為

(20)

4 n-1個負載電路的傳輸效率分析

用集總參數分析圖4拓撲結構，圖4有n-1個負載線圈，有n個方程，分別為

…-jωMnIn

(21)

jωMiI1(i=2,…,n)

(22)

圖4 n-1個負載線圈的CPT拓撲結構

解上述n個方程，并將I1，I2，…，In代入

(23)

用CMT方法分析圖4 的拓撲結構圖，同樣忽略勵磁效應，由前面的方法可得

jK12a2(t)+…+jK1nan(t)+Fs(t)

(24)

jK1ia1(t) (i=2,…,n)

(25)

將以上各變量代換，得到

(26)

5 實驗分析

表1 實驗參數

(a)單負載 (b)兩個負載

圖5傳輸效率曲線

由圖中可以看出，由CMT和CT得到的效率值與測量值大致吻合.出現的小偏差可能是由于測量誤差、系統的分布電容、分布電感以及線圈在移動過程中會出現不同軸現象引起的.值得注意的是，此方法僅適合于諧振狀態.在諧振頻率點，多負載CPT系統CMT下的效率計算公式與CT下的計算公式也完全等效.

物理學中常用的CMT用于同一平面的n個負載線圈的傳輸效率，從另一個角度闡述能量傳遞.接下來的工作就是進一步分析它的傳輸功率、系統品質因數和傳輸距離對系統的影響.

6 結束語

通過以上推導和實驗可知，在諧振頻率點上，用CMT的方法對諧振系統傳輸效率進行分析，結果與CT相同，CMT的提出讓我們從另一個角度去分析CPT系統的效率問題，并考慮到CMT的計算階次比CT的計算階次降低一半，大大減少計算中的工作量，此方法可以推廣到在同一平面的n個負載線圈的效率求解.

參考文獻：

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