小功率無線能量傳輸系統電容補償方案研究

肖飛

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

0 引言

無線能量傳輸技術自誕生以來，就一直備受關注。近年來，無線充電技術在某些方面已經得到了一定的應用，例如用于電動汽車充電，心臟起搏器充電，手機無線充電等[1-4]。相比于傳統的有線能量傳輸，無線能量傳輸具有靈活性高，通用性強，使用方便，適用于高濕環境等諸多優勢。

盡管無線能量傳輸具有諸多優勢，但低效率問題卻是制約其應用的主要瓶頸[5]。目前常用的無線能量傳輸方案是根據電磁感應原理，采用分離式變壓器模型進行能量傳輸。為了提高能量傳輸效率，可以采用對無線能量傳輸系統的初級和次級進行電容補償。

本文針對電磁感應式無線能量傳輸系統初級和次級補償問題，列出了4種補償方案，推導了補償電容的選擇過程，通過系統仿真，評價了4種補償方案。

1 無線能量傳輸系統電容補償方案

對于普通變壓器，初級線圈和次級線圈纏繞在鐵芯線圈上，這種情況屬于密耦合，在初級次級電磁感應過程中幾乎沒有磁通量的損失。而電磁感應式無線能量傳輸系統初級次級線圈的耦合則屬于松耦合。圖1為電磁感應式無線能量傳輸系統的典型結構示意圖。這種耦合方式漏感大，降低了系統傳遞的有用功率。為了提高傳輸效率，一般需要在系統的初級和次級加入補償電容。

初級補償電容的目的主要是為了抵消初級漏感抗和次級反應感抗，次級補償電容則主要是為了減小次級的無功功率[6]。

圖1 電磁感應式無線能量傳輸系統示意圖

根據電路的拓撲結構，可將電容補償分為4類:初級串聯-次級串聯補償(SS)圖2(a)；初級串聯-次級并聯補償(SP)圖2(b)；初級并聯-次級串聯補償(PS)圖2(c)和初級并聯-次級并聯補償(PP)[7]圖2(d)。4種補償電路的結構分別如圖2所示。

圖2 電容補償電路

2 補償電路分析

通過加入補償電容的方法來提高系統的傳輸效率，其關鍵問題是選擇合適的補償電容。

對于未加入補償電容的無線能量傳輸系統，其次級獲得的功率為:

以初級串聯-次級串聯補償系統為例，當在系統中加入了串聯補償電容，如圖3所示。此時次級獲得的功率為

在式(2)中，當時，P取得最大值，即次級獲得最大的功率。故補償電容為:

而次級反應到初級的電壓為:

式中Z為次級電路的總阻抗。對于次級串聯補償電路，其次級電路的總阻抗為:

代入式(4)，可得次級電路反應到初級電路的阻抗為:

對于初級串聯-次級串聯補償補償系統，其初級電路的總阻抗為:

為使初級電路呈現純阻性，需要使式(7)虛部為0，可得:

對于其余的3個補方案，其分析方法與初級串聯-次級串聯補償電路的分析方法類似，這里不再贅述。

3 結果分析與討論

為了進一步分析無線能量傳輸過程中電容補償的效果，現利用MATLAB對無線能量傳輸系統進行仿真，系統參數如表1所示。

表1 系統參數

為了方便討論，這里取L1=L2=L，L的變化范圍為0至100 μH，圖3為加入初級串聯-次級串聯補償電路后系統次級獲得的功率，可以看出，電感在80 μH左右，該類補償電路使系統獲得最大傳輸功率。

圖3 初級串聯-次級串聯補償次級獲得功率

圖4 為四種補償網絡次級獲得功率的對比。從圖可以看出，在電感較低時，采用初級并聯-次級并聯補償可以使次級獲得較高的功率，但其缺點主要是隨著電感的增加，傳輸功率迅速衰減。而初級串聯-次級并聯補償則對于電感的變化不敏感，次級獲得的功率一直比較穩定。因此，當系統電感較大時，初級串聯-次級并聯補償和初級串聯-次級串聯補償可以看作是比較理想的選擇。

圖4 各補償網絡效果對比

4 結語

針對電磁感應式無線能量傳輸系統初級和次級補償問題，列出了4種補償方案，推導了補償電容的選擇過程；通過系統仿真，對4種補償方案的補償效果進行了分析與比較。結果表明:初級并聯-次級并聯補償在低電感情況下補償效果較好，初級串聯-次級串聯補償和初級串聯-次級并聯補償在高電感的情況下補償效果較好。

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[5]曹玲玲，陳乾宏，任小永，等.電動汽車高效率無線充電技術的研究進展[J].電工技術學報，2012，27(8):1-13.

[6]張鵬翀.小功率無線能量傳輸系統關鍵技術研究[D].南京:南京理工大學，2013.

[7]安慰東.提高隨鉆系統中非接觸式電能傳輸效率的研究[D].西安:西安石油大學，2010.