影響非接觸式能量傳輸效率的因素分析

【摘要】非接觸式能量傳輸方式可以解決接觸式能量傳輸帶來的各種問題。但非接觸式能量傳輸存在較大漏感，傳輸效率受到限制。本文通過對非接觸式能量傳輸的分離式變壓器的拓撲結構，補償容抗電路，閉環控制電路的研究與分析，設計一套非接觸能量傳輸平臺，提高非接觸能量傳輸的效率。文章完成了非接觸傳輸系統的硬件電路和實驗平臺的搭建，實驗結果證明在一定輸入條件下，在氣隙間隙5mm的條件下傳輸效率達70%，隨著氣隙增大傳輸效率明顯降低。

【關鍵詞】分離式變壓器；拓撲結構；補償容抗電路；閉環控制電路

1.引言

近年來，無線充電技術得到了深入而廣泛的研究與發展，不僅能克服接觸式電能傳輸所帶來的接觸磨損、接觸電阻和摩擦電火花等問題[1]，并且能夠簡化充電操作的步驟。無線充電技術的關鍵問題在于電能的非接觸式傳輸，最主要的方式為電磁感應式傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）。電磁感應式非接觸傳輸是一種易實現且傳輸效率較高的非接觸式電能傳輸方式，也是現階段研究和發展的重點方向[2]。感應式非接觸能量傳輸系統利用分離式變壓器的原邊線圈中交變電流，產生交變的磁場從分離式變壓器的發射端傳遞到接受端，再通過分離式變壓器接收端中交變的磁場產生副邊線圈中的交變電流，來實現電能的非接觸傳輸。由于分離式變壓器存在較大漏感，電磁感應式無線充電系統的傳輸效率受到限制。本文針對電磁感應式非接觸能量傳輸系統中的分離式變壓器，分析影響電能無線傳輸效率的各個因素，并對分離式變壓器的結構和充電電路進行優化來提高能量傳輸的效率。

2.分離式變壓器的拓撲結構分析

根據分離式變壓器中原副邊線圈不同的空間結構，可以分為單面和雙面兩種繞組結構[3]，如圖1所示。

線圈單面繞組，可以實現在較小的體積內繞制，符合無線充電裝置小型化微型化的要求。設計中可以在外側設置高磁導率的磁芯材料，有效降低外側磁通量的泄露，提高耦合系數。但隨著線圈之間的位置偏移量的增加，通過副邊線圈的磁通量的矢量和會急劇減小，當線圈偏移量達到40%的時候，通過副邊線圈的磁通量矢量和接近于0，這時將不能實現能量的傳輸。

線圈雙面繞組，相對于單面繞組繞制的體積較大。雙面繞組的外側磁通量泄露較大，這部分磁場無法有效利用，耦合系數和傳輸的效率較較小。但傳輸效率受位置偏移量的影響不大，當線圈偏移量增大時，只相當于線圈之間的距離增大，而通過副邊線圈的磁通量的矢量和的減少很小，適合于線圈之間位置偏移量較大的場合。

線圈單面繞組結構分離式變壓器設計時需要注意傳輸效率受位置偏移的影響較大，必須保證線圈直徑大于4倍的位置偏移量的最大值。選取磁導率高、具有很小的矯頑力、電導率低、飽和磁感應強度大、磁損率小的磁芯材料，保證磁芯激勵存儲能量盡量小，使激勵電流盡量將能量進行傳輸，提高傳輸的效率。

3.補償容抗電路分析

分離式變壓器存在空氣氣隙，會產生較大的漏感，使原邊線圈電路的視在功率增加，增加電源負擔，較大的電壓也容易造成元器件的損壞。同時較大的漏感還會造成副邊線圈電路無功功率增加，使輸出功率的減小[4]。

為補償電路中的漏感，較為常見的辦法是在原副邊線圈電路中串聯或并聯入高耐壓值的電容。原邊線圈串聯或并聯補償，電容分別補償了原邊繞組的電壓或電流，分別適用于原邊繞組較長且較分散的場合或原邊繞組較集中的場合。副邊線圈串聯或并聯補償，電路工作在諧振狀態下，阻抗等效為純電阻或導納等效為純電導，輸出電壓等效為開路電壓或電流等效為短路電流，適用于需要使用直流母線電壓的場合或需要使用直流母線電流的場合。

無線充電系統，要求副邊線圈電路中的電流值盡量大，所以副邊線圈應采用并聯補償的方式，而由于充電系統體積要求受限，采用集中繞組的方式，所以原邊線圈應采用并聯補償的方式，即無線充電系統采用并聯-并聯的補償容抗電路拓撲結構。

4.閉環控制電路分析

非接觸能量傳輸的充電電路中可分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統包括原邊的高頻逆變電路和開環控制電路，與副邊的高頻整流電路和直流穩壓電路。原邊高頻逆變電路和副邊高頻整流電路可視為一級DC-DC變換器，副邊的直流穩壓電路視為二級DC-DC變換器。開環控制系統工作在開環狀態下，結構相對簡單，目前大部分研究與產品都是基于開環控制系統的非接觸傳輸[5]。

閉環控制系統在開環控制系統的基礎上，從負載側將輸出電壓的采樣值引回到控制電路上實現穩壓功能。由于閉環控制的引入，閉環控制系統可以省去副邊的直流穩壓電路，屬于一級DC-DC穩壓輸出，能量傳輸效率將比開環控制系統更高。本文將基于閉環控制系統，設計一套非接觸能量傳輸系統，提高傳輸的效率。

閉環控制電路設計主要基于芯片SG3525，工作原理為振蕩器產生的方波信號與誤差放大器輸出信號通過PWM比較器和鎖存器進行比較之后產生一個占空比可調的方波信號，然后通過觸發器和或非門電路兩路相反的信號。在搭載外部電路過程中，可以將基準電壓接在誤差放大器的同向輸入端上，將輸出電壓的采樣電壓作為反饋信號接在反向輸入端上。當輸出電壓升高時，誤差放大器的輸出電壓將降低，則PWM比較器輸出為正的時間增長，從而鎖存器輸出方波占空比變大，再通過或非門從而使得開關電路通路時間變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現了穩態。反之亦然。在誤差比較器的輸入端管腳1和2和輸出端管腳9之間可以接入不同類型的補償反饋網絡能實現不同反饋信號的處理，SG3525外接電路如圖2所示。

5.實驗分析與總結

5.1 實驗結果與分析

為進一步驗證分離式變壓器拓撲結構設計，補償容抗電路和閉環控制電路對非接觸式能量傳輸效率的提升，現設計一套實驗平臺。主電路采用全橋逆變電路，設計控制電路頻率為20KHz，采用調壓器提供的頻率為60HZ、電壓為50V的交流電作為輸入，輸出負載用24Ω/100W的電阻串并聯模擬。電壓和電阻用萬用表測量，小于10A的電流用萬用表的電流檔測量，精度0.01A，大于10A的電流用最大量程200A、精度0.1A的電流鉗表測量。

測試數據如表1所示。從表中可以看出，利用補償容抗電路和閉環控制電路，圓形線圈單面繞組磁芯分離式變壓器在氣隙間距為5mm的時候，傳輸效率可達到69.76%，有顯著提高。同時電能傳輸效率隨著氣隙間距的增大明顯下降，與理論分析結果相符。

5.2 總結

非接觸能量傳輸由于分離式變壓器存在較大漏感，系統的傳輸效率受到限制。通過合理設計分離式變壓器的拓撲結構，補償容抗電路和閉環控制電路的引入可以一定程度上提高系統的傳輸效率。實驗證明，引入補償容抗電路和閉環控制電路的圓形線圈單面繞組磁芯分離式變壓器的傳輸效率顯著提高，但隨著氣隙間距的增大傳輸效率明顯下降。

參考文獻

[1]閆卓.無接觸能量傳輸系統初級變換器的設計[D].河北：河北工業大學，2007.

[2]Deron Keith Jackon.Inductively-coupled power transfer for electromechanical systems[D].Massachusetts Institute of Technology，1998.

[3]關學忠，孫勝勇，楊靜，等.非接觸式感應能量傳輸系統的分析與設計[J].電子技術應用，2008，2：63-65.

作者簡介：孔杰（1987-），男，湖南岳陽人，碩士，研究方向：電動汽車無線充電技術。