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(lái)的各種問(wèn)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(guò)對(duì)非接觸式能量傳輸?shù)姆蛛x式變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，補(bǔ)償容抗電路，閉環(huán)控制電路的研究與分析，設(shè)計(jì)一套非接觸能量傳輸平臺(tái)，提高非接觸能量傳輸?shù)男?。文章完成了非接觸傳輸系統(tǒng)的硬件電路和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)70%，隨著氣隙增大傳輸效率明顯降低。

【關(guān)鍵詞】分離式變壓器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；補(bǔ)償容抗電路；閉環(huán)控制電路

1.引言

近年來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)得到了深入而廣泛的研究與發(fā)展，不僅能克服接觸式電能傳輸所帶來(lái)的接觸磨損、接觸電阻和摩擦電火花等問(wèn)題[1]，并且能夠簡(jiǎn)化充電操作的步驟。無(wú)線充電技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于電能的非接觸式傳輸，最主要的方式為電磁感應(yīng)式傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）。電磁感應(yīng)式非接觸傳輸是一種易實(shí)現(xiàn)且傳輸效率較高的非接觸式電能傳輸方式，也是現(xiàn)階段研究和發(fā)展的重點(diǎn)方向[2]。感應(yīng)式非接觸能量傳輸系統(tǒng)利用分離式變壓器的原邊線圈中交變電流，產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)從分離式變壓器的發(fā)射端傳遞到接受端，再通過(guò)分離式變壓器接收端中交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生副邊線圈中的交變電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率受到限制。本文針對(duì)電磁感應(yīng)式非接觸能量傳輸系統(tǒng)中的分離式變壓器，分析影響電能無(wú)線傳輸效率的各個(gè)因素，并對(duì)分離式變壓器的結(jié)構(gòu)和充電電路進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高能量傳輸?shù)男省?/p>

2.分離式變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

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

線圈單面繞組，可以實(shí)現(xiàn)在較小的體積內(nèi)繞制，符合無(wú)線充電裝置小型化微型化的要求。設(shè)計(jì)中可以在外側(cè)設(shè)置高磁導(dǎo)率的磁芯材料，有效降低外側(cè)磁通量的泄露，提高耦合系數(shù)。但隨著線圈之間的位置偏移量的增加，通過(guò)副邊線圈的磁通量的矢量和會(huì)急劇減小，當(dāng)線圈偏移量達(dá)到40%的時(shí)候，通過(guò)副邊線圈的磁通量矢量和接近于0，這時(shí)將不能實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。

線圈雙面繞組，相對(duì)于單面繞組繞制的體積較大。雙面繞組的外側(cè)磁通量泄露較大，這部分磁場(chǎng)無(wú)法有效利用，耦合系數(shù)和傳輸?shù)男瘦^較小。但傳輸效率受位置偏移量的影響不大，當(dāng)線圈偏移量增大時(shí)，只相當(dāng)于線圈之間的距離增大，而通過(guò)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(chǎng)合。

線圈單面繞組結(jié)構(gòu)分離式變壓器設(shè)計(jì)時(shí)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(dǎo)率高、具有很小的矯頑力、電導(dǎo)率低、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大、磁損率小的磁芯材料，保證磁芯激勵(lì)存儲(chǔ)能量盡量小，使激勵(lì)電流盡量將能量進(jìn)行傳輸，提高傳輸?shù)男省?/p>

3.補(bǔ)償容抗電路分析

分離式變壓器存在空氣氣隙，會(huì)產(chǎn)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(fù)擔(dān)，較大的電壓也容易造成元器件的損壞。同時(shí)較大的漏感還會(huì)造成副邊線圈電路無(wú)功功率增加，使輸出功率的減小[4]。

為補(bǔ)償電路中的漏感，較為常見(jiàn)的辦法是在原副邊線圈電路中串聯(lián)或并聯(lián)入高耐壓值的電容。原邊線圈串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償，電容分別補(bǔ)償了原邊繞組的電壓或電流，分別適用于原邊繞組較長(zhǎng)且較分散的場(chǎng)合或原邊繞組較集中的場(chǎng)合。副邊線圈串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償，電路工作在諧振狀態(tài)下，阻抗等效為純電阻或?qū)Ъ{等效為純電導(dǎo)，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(chǎng)合或需要使用直流母線電流的場(chǎng)合。

無(wú)線充電系統(tǒng)，要求副邊線圈電路中的電流值盡量大，所以副邊線圈應(yīng)采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?，而由于充電系統(tǒng)體積要求受限，采用集中繞組的方式，所以原邊線圈應(yīng)采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?，即無(wú)線充電系統(tǒng)采用并聯(lián)-并聯(lián)的補(bǔ)償容抗電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.閉環(huán)控制電路分析

非接觸能量傳輸?shù)某潆婋娐分锌煞譃殚_環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)包括原邊的高頻逆變電路和開環(huán)控制電路，與副邊的高頻整流電路和直流穩(wěn)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(jí)DC-DC變換器，副邊的直流穩(wěn)壓電路視為二級(jí)DC-DC變換器。開環(huán)控制系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前大部分研究與產(chǎn)品都是基于開環(huán)控制系統(tǒng)的非接觸傳輸[5]。

閉環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從負(fù)載側(cè)將輸出電壓的采樣值引回到控制電路上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。由于閉環(huán)控制的引入，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以省去副邊的直流穩(wěn)壓電路，屬于一級(jí)DC-DC穩(wěn)壓輸出，能量傳輸效率將比開環(huán)控制系統(tǒng)更高。本文將基于閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套非接觸能量傳輸系統(tǒng)，提高傳輸?shù)男省?/p>

閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)主要基于芯片SG3525，工作原理為振蕩器產(chǎn)生的方波信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)通過(guò)PWM比較器和鎖存器進(jìn)行比較之后產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的方波信號(hào)，然后通過(guò)觸發(fā)器和或非門電路兩路相反的信號(hào)。在搭載外部電路過(guò)程中，可以將基準(zhǔn)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(hào)接在反向輸入端上。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，誤差放大器的輸出電壓將降低，則PWM比較器輸出為正的時(shí)間增長(zhǎng)，從而鎖存器輸出方波占空比變大，再通過(guò)或非門從而使得開關(guān)電路通路時(shí)間變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。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(bǔ)償反饋網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)不同反饋信號(hào)的處理，SG3525外接電路如圖2所示。

5.實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證分離式變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，補(bǔ)償容抗電路和閉環(huán)控制電路對(duì)非接觸式能量傳輸效率的提升，現(xiàn)設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主電路采用全橋逆變電路，設(shè)計(jì)控制電路頻率為20KHz，采用調(diào)壓器提供的頻率為60HZ、電壓為50V的交流電作為輸入，輸出負(fù)載用24Ω/100W的電阻串并聯(lián)模擬。電壓和電阻用萬(wàn)用表測(cè)量，小于10A的電流用萬(wàn)用表的電流檔測(cè)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(cè)量。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出，利用補(bǔ)償容抗電路和閉環(huán)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(shí)候，傳輸效率可達(dá)到69.76%，有顯著提高。同時(shí)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(jié)果相符。

5.2 總結(jié)

非接觸能量傳輸由于分離式變壓器存在較大漏感，系統(tǒng)的傳輸效率受到限制。通過(guò)合理設(shè)計(jì)分離式變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，補(bǔ)償容抗電路和閉環(huán)控制電路的引入可以一定程度上提高系統(tǒng)的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)證明，引入補(bǔ)償容抗電路和閉環(huán)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(xiàn)

[1]閆卓.無(wú)接觸能量傳輸系統(tǒng)初級(jí)變換器的設(shè)計(jì)[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

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

[3]關(guān)學(xué)忠，孫勝勇，楊靜，等.非接觸式感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，2：63-65.

作者簡(jiǎn)介：孔杰（1987-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，研究方向：電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)。