小功率無線能量傳輸系統(tǒng)電容補償方案研究

肖飛

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

0 引言

無線能量傳輸技術(shù)自誕生以來，就一直備受關(guān)注。近年來，無線充電技術(shù)在某些方面已經(jīng)得到了一定的應(yīng)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(tǒng)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(huán)境等諸多優(yōu)勢。

盡管無線能量傳輸具有諸多優(yōu)勢，但低效率問題卻是制約其應(yīng)用的主要瓶頸[5]。目前常用的無線能量傳輸方案是根據(jù)電磁感應(yīng)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(tǒng)的初級和次級進行電容補償。

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

1 無線能量傳輸系統(tǒng)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(yīng)過程中幾乎沒有磁通量的損失。而電磁感應(yīng)式無線能量傳輸系統(tǒng)初級次級線圈的耦合則屬于松耦合。圖1為電磁感應(yīng)式無線能量傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。這種耦合方式漏感大，降低了系統(tǒng)傳遞的有用功率。為了提高傳輸效率，一般需要在系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)式無線能量傳輸系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電路的拓撲結(jié)構(gòu)，可將電容補償分為4類:初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補償(SS)圖2(a)；初級串聯(lián)-次級并聯(lián)補償(SP)圖2(b)；初級并聯(lián)-次級串聯(lián)補償(PS)圖2(c)和初級并聯(lián)-次級并聯(lián)補償(PP)[7]圖2(d)。4種補償電路的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的傳輸效率，其關(guān)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(tǒng)，其次級獲得的功率為:

以初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補償系統(tǒng)為例，當(dāng)在系統(tǒng)中加入了串聯(lián)補償電容，如圖3所示。此時次級獲得的功率為

在式(2)中，當(dāng)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(yīng)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(lián)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(yīng)到初級電路的阻抗為:

對于初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補償補償系統(tǒng)，其初級電路的總阻抗為:

為使初級電路呈現(xiàn)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(lián)-次級串聯(lián)補償電路的分析方法類似，這里不再贅述。

3 結(jié)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?shù)男Ч?，現(xiàn)利用MATLAB對無線能量傳輸系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

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(lián)-次級串聯(lián)補償電路后系統(tǒng)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(tǒng)獲得最大傳輸功率。

圖3 初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補償次級獲得功率

圖4 為四種補償網(wǎng)絡(luò)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(lián)-次級并聯(lián)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(lián)-次級并聯(lián)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(wěn)定。因此，當(dāng)系統(tǒng)電感較大時，初級串聯(lián)-次級并聯(lián)補償和初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補償可以看作是比較理想的選擇。

圖4 各補償網(wǎng)絡(luò)效果對比

4 結(jié)語

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

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