非接触式松耦合感应电能传输系统原理分析与设计

耦合关系，副边电路接受线圈中将会感应出电压
　　
　　Voc=jωMIp（1）
　　
　　相应的，诺顿等效电路短路电流为
　　
　　
　　
　　式中：Ls为副边电感。
　　
　　若副边线圈的品质因数为Qs，则在以上参数下，副边线圈能够获得的最大功率为
　　
　　
　　
　　从式(3)可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大ω，Ip，M和Qs或减小Ls。但受应用场合机械安装和成本限制，LCIPT系统中，M值一般较小，而且一旦磁耦合装置设计完成后，M和Ls的值就基本固定了。能够作调整的是乘积量(ωIp2Qs)。从工程设计角度考虑，在参数选择设计中，Qs一般不会超过10，否则系统工作状态将对负载变化、元件参数变化和频率变化非常敏感，系统很难稳定。由此对传输电能大小调节余度最大的是乘积ωIp2。从该关系式可见频率与发射电流的关系：提高频率ω，可以减小原边电流Ip，反之亦然。在传输相等电能及其它相关量不变情况下，采用高频的LCIPT系统与采用低频的LCIPT系统相比，所需的发射电流大大降低，电源变换器电流应力及系统成本大大降低。因而LCIPT比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术水平和磁场发射相关标准，系统频率受到限制。根据应用场合的不同，系统采用的频率范围一般在10kHz～100kHz之间。
　　
　　图4
　　
　　2系统补偿
　　
　　2.1副边补偿
　　
　　在松耦合感应电能传输系统中，若副边接受线圈直接与负载相连，系统输出电压和电流都会随负载变化而变化，限制了功率传输。
　　
　　
　　
　　为此，必须对副边进行有效的补偿设计。如图4所示，基本的补偿拓扑有电容串联补偿和电容并联补偿两种形式。
　　
　　在电容串联补偿电路中，副边网络的阻抗为
　　
　　
　　
　　输出功率为
　　
　　
　　
　　当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感抗与容抗互消，为纯电阻，输出电压与负载无关，等效于输出电压为副边开路电压的恒压源，理论上电能传输不受限制。
　　
　　电容并联补偿电路副边网络的导纳为
　　
　　
　　
　　输出功率为
　　
　　
　　
　　式中：Isc为副边短路电流。
　　
　　当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感纳与容纳互消，为纯电导，输出电流与负载无关，等于副边短路电流，理论上电能传输不受限制。
　　
　　为使副边谐振频率为系统频率，补偿电容的取值应满足式(5)和式(7)中的虚部为零。
　　
　　在松耦合感应电能传输系统中，副边电路对原边电路的工作的影响，可以用副边电路反映至原边电路的反映阻抗Zr来表示。
　　
　　
　　
　　式中：Zs对应副边网络阻抗，见式(5)和式(7)，反映阻抗结果列于表1中(ω0为系统频率)。
　　
　　表1原副边采取不同补偿拓扑时的补偿电容及反映阻抗值
　　
　　副边补偿拓扑
　　
　　副边补偿电容Cs值
　　
　　副边电路反映至原边的阻抗
　　
　　电阻电抗
　　电容串联补偿
　　
　　1/(ω02Ls)
　　
　　(ω02M

《非接触式松耦合感应电能传输系统原理分析与设计(第2页)》