非接觸式松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制

LCIPT系統(tǒng)中，原副邊都采用電容補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)是一個(gè)四階系統(tǒng)，在某些情況下，會出現(xiàn)分歧現(xiàn)象。特別是在原邊電路的品質(zhì)因數(shù)Q_p比副邊電路的品質(zhì)因數(shù)Q_s小，或兩者相當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)很可能不穩(wěn)定，此時(shí)必須對系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分析。同時(shí)，在LCIPT系統(tǒng)中，控制方案的合理選擇對系統(tǒng)穩(wěn)定和電能傳輸能力非常關(guān)鍵。目前，常采用兩種基本控制方案：恒頻控制和變頻控制。

恒頻控制有利于電路元件的選擇，但恒頻控制對應(yīng)的問題是，電路實(shí)際工作中電容不可避免地會因?yàn)閾p耗產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致電容量下降，副邊實(shí)際工作諧振頻率會升高，原副邊電路不同諧，使得電能傳輸受損。變頻控制可以通過實(shí)時(shí)控制原邊諧振頻率，使其跟蹤副邊諧振電路頻率，使得原副邊電路同諧，獲得最大電能傳輸。但在變頻控制中，電源輸入電壓和輸入電流相角與頻率之間的關(guān)系很可能出現(xiàn)分歧現(xiàn)象，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，必須對原副邊的品質(zhì)因數(shù)加以嚴(yán)格限制。

4 LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，原副邊的電能關(guān)系可以近似用原副邊匝比變換關(guān)系來表示，因而其系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)獨(dú)立部分：原邊電路、緊耦合磁件、副邊電路，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。緊耦合磁件的設(shè)計(jì)也有較成熟的設(shè)計(jì)步驟可依。

但在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路的工作依賴性很大，如式(3)所示，原副邊的電能傳輸關(guān)系由多個(gè)變量決定，這些變量必須根據(jù)現(xiàn)有功率電子水平，及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初選一些值，然后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行下一步計(jì)算，確定參數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，所出現(xiàn)的多個(gè)變量都必須進(jìn)行選擇，而這些變量并非孤立的，而是相互之間都存在著一定的制約關(guān)系。因而，松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)要復(fù)雜得多。這里把松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的每個(gè)變量的含義，及選取方法做一說明，并繪成相應(yīng)的流程圖，如圖5所示，以便理解。設(shè)計(jì)步驟如下。

圖5 LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

4.1 選擇頻率

選擇系統(tǒng)工作頻率是LCIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，從式(3)可以看出，頻率大小的選取，與電源的復(fù)雜程度、成本及系統(tǒng)電能傳輸大小有密切關(guān)系。要綜合考慮應(yīng)用場合對系統(tǒng)體積重量要求、目前功率電子水平及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來選取頻率。就目前功率電子水平及系統(tǒng)成本考慮，選擇10kHz～100kHz之間的頻率比較合理。隨著功率電子水平的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)頻率可望進(jìn)一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。

4.2 選擇松耦合感應(yīng)裝置

緊耦合感應(yīng)裝置（如廣泛采用的變壓器）的結(jié)構(gòu)一般受限于現(xiàn)有的鐵芯結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)形式有限。但松耦合感應(yīng)裝置卻不受鐵芯結(jié)構(gòu)限制，根據(jù)各種應(yīng)用場合的需要，可能會出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式。在很大程度上，這些松耦合感應(yīng)裝置要依靠相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來選擇。確定松耦合感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)后，要標(biāo)定一些基本的參數(shù)，如原副邊線圈電感量、耦合系數(shù)、互感等。

4.3 選擇原邊電流I_p

在LCIPT系統(tǒng)中，傳輸電能大小、原邊電源變換器的成本都與用于磁場發(fā)射的原邊電流I_p直接相關(guān)。一般從相對較小的電流值開始選取I_p，從而對應(yīng)電源的低電流應(yīng)力。若經(jīng)計(jì)算后，這一I_p電流值不滿足系統(tǒng)電能傳輸要求，可進(jìn)一步增大電流值，再進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，直至系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。