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非接触式松耦合感应电能传输系统原理分析与设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

传输系统中,原副边电路的工作依赖性很大,如式(3)所示,原副边的电能传输关系由多个变量决定,这些变量必须根据现有功率电子水平,及相关设计经验初选一些值,然后根据相关公式进行下一步计算,确定参数。在整个设计过程中,所出现的多个变量都必须进行选择,而这些变量并非孤立的,而是相互之间都存在着一定的制约关系。因而,松耦合感应电能传输系统的设计比紧耦合感应电能传输系统要复杂得多。这里把松耦合感应电能传输系统中出现的每个变量的含义,及选取方法做一说明,并绘成相应的流程图,如图5所示,以便理解。设计步骤如下。
  
  4.1选择频率
  
  选择系统工作频率是LCIPT系统设计的第一步,从式(3)可以看出,频率大小的选取,与电源的复杂程度、成本及系统电能传输大小有密切关系。要综合考虑应用场合对系统体积重量要求、目前功率电子水平及相关系统的设计经验来选取频率。就目前功率电子水平及系统成本考虑,选择10kHz~100kHz之间的频率比较合理。随着功率电子水平的不断进步,系统频率可望进一步提高,从而使得系统体积更小、重量更轻。
  
  4.2选择松耦合感应装置
  
  紧耦合感应装置(如广泛采用的变压器)的结构一般受限于现有的铁芯结构,因而结构形式有限。但松耦合感应装置却不受铁芯结构限制,根据各种应用场合的需要,可能会出现多种结构形式。在很大程度上,这些松耦合感应装置要依靠相关的设计经验来选择。确定松耦合感应装置结构后,要标定一些基本的参数,如原副边线圈电感量、耦合系数、互感等。
  
  4.3选择原边电流Ip
  
  在LCIPT系统中,传输电能大小、原边电源变换器的成本都与用于磁场发射的原边电流Ip直接相关。一般从相对较小的电流值开始选取Ip,从而对应电源的低电流应力。若经计算后,这一Ip电流值不满足系统电能传输要求,可进一步增大电流值,再进行计算验证,直至系统设计满足要求。
  
  4.4确定(VocIsc)值
  
  根据所选择的电磁装置,在原边电流为所选Ip时,测试出副边接受线圈的开路电压Voc和短路电流Isc。确定这一乘积(VocIsc)也可以用一个与设计的接受线圈同匝数的小尺寸接受线圈来完成,避免因为接受线圈电流定额不够而返工。当然,也可采用相应的电磁场仿真软件包进行模拟设计。但仿真设计过程比较复杂[11]。
  
  4.5确定副边补偿
  
  4.5.1副边补偿等级
  
  副边电路不加补偿时,负载能够获得的最大功率传输等于(VocIsc/2)[11]。如果负载所需功率值超过这一值,则副边需要采用补偿电路,副边电路的品质因数可用式(12)计算。
  
  
  
  式中:P为至负载的传输功率。
  
  从而副边所需要的V·A定额为
  
  
  
  如果副边实际的VA定额高于式(13)的计算值,系统就可以传输所需的功率。反之,该设计不能传输所需功率P,必须对设计作出相应的调整来增加功率传输能力。一般可以考虑以下4种途径:
  
  ——加粗接受线圈绕组线径或增大铁芯截面积;
  
  ——增大原边电流;
  
  ——改进电磁装置的耦合程度,提高互

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