影響非接觸式能量傳輸效率因素研究

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1、影響非接觸式能量傳輸效率因素研究　　【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

2、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（InductivelyCoupledPower6Transfer，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

3、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?.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

4、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。6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

5、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?.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

6、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(kāi)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。6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)姆绞剑捎诔潆娤到y(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?/p>

7、式，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_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)包括原邊的高頻逆變電路和開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)工作在開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的非接觸傳輸[5]。閉環(huán)控制系統(tǒng)在開(kāi)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

8、。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(kāi)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?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