影响非接触式能量传输效率的因素分析
【摘要】非接触式能量传输方式可以解决接触式能量传输带来的各种问题。
但非接触式能量传输存在较大漏感，传输效率受到限制。
本文通过对非接触式能量传输的分离式变压器的拓扑结构，补偿容抗电路，闭环控制电路的研究与分析，设计一套非接触能量传输平台，提高非接触能量传输的效率。
文章完成了非接触传输系统的硬件电路和实验平台的搭建，实验结果证明在一定输入条件下，在气隙间隙5mm的条件下传输效率达70%，随着气隙增大传输效率明显降低。
【关键词】分离式变压器；拓扑结构；补偿容抗电路；闭环控制电路
1.引言
近年来，无线充电技术得到了深入而广泛的研究与发展，不仅能克服接触式电能传输所带来的接触磨损、接触电阻和摩擦电火花等问题[1]，并且能够简化充电操作的步骤。
无线充电技术的关键问题在于电能的非接触式传输，最主要的方式为电磁感应式传输（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）。
电磁感应式非接触传输是一种易实现且传输效率较高的非接触式电能传输方式，也是现阶段研究和发展的重点方向[2]。
感应式非接触能量传输系统利用分离式变压器的原边线圈中交变电流，产生交变的磁场从分离式变压器的发射端传递到接受端，再通过分离式变压器接收端中交变的磁场产生副边线圈中的交变电流，来实现电能的非接触传输。
由于分离式变压器存在较大漏感，电磁感应式无线充电系统的传输效率受到限制。
本文针对电磁感应式非接触能量传输系统中的分离式变压器，分析影响电能无线传输效率的各个因素，并对分离式变压器的结构和充电电路进行优化来提高能量传输的效率。
2.分离式变压器的拓扑结构分析
根据分离式变压器中原副边线圈不同的空间结构，可以分为单面和双面两种绕组结构[3]，如图1所示。
线圈单面绕组，可以实现在较小的体积内绕制，符合无线充电装置小型化微型化的要求。
设计中可以在外侧设置高磁导率的磁芯材料，有效降低外侧磁通量的泄露，提高耦合系数。
但随着线圈之间的位置偏移量的增加，通过副边线圈的磁通量的矢量和会急剧减小，当线圈偏移量达到40%的时候，通过副边线圈的磁通量矢量和接近于0，这时将不能实现能量的传输。
线圈双面绕组，相对于单面绕组绕制的体积较大。
双面绕组的外侧磁通量泄露较大，这部分磁场无法有效利用，耦合系数和传输的效率较较小。
但传输效率受位置偏移量的影响不大，当线圈偏移量增大时，只相当于线圈之间的距离增大，而通过副边线圈的磁通量的矢量和的减少很小，适合于线圈之间位置偏移量较大的场合。
线圈单面绕组结构分离式变压器设计时需要注意传输效率受位置偏移的影响较大，必须保证线圈直径大于4倍的位置偏移量的最大值。
选取磁导率高、具有很小的矫顽力、电导率低、饱和磁感应强度大、磁损率小的磁芯材料，保证磁芯激励存储能量尽量小，使激励电流尽量将能量进行传输，提高传输的效率。
3.补偿容抗电路分析
分离式变压器存在空气气隙，会产生较大的漏感，使原边线圈电路的视在功率增加，增加电源负担，较大的电压也容易造成元器件的损坏。
同时较大的漏感还会造成副边线圈电路无功功率增加，使输出功率的减小[4]。
为补偿电路中的漏感，较为常见的办法是在原副边线圈电路中串联或并联入高耐压值的电容。
原边线圈串联或并联补偿，电容分别补偿了原边绕组的电压或电流，分别适用于原边绕组较长且较分散的场合或原边绕组较集中的场合。
副边线圈串联或并联补偿，电路工作在谐振状态下，阻抗等效为纯电阻或导纳等效为纯电导，输出电压等效为开路电压或电流等效为短路电流，适用于需要使用直流母线电压的场合或需要使用直流母线电流的场合。
无线充电系统，要求副边线圈电路中的电流值尽量大，所以副边线圈应采用并联补偿的方式，而由于充电系统体积要求受限，采用集中绕组的方式，所以原边线圈应采用并联补偿的方式，即无线充电系统采用并联-并联的补偿容抗电路拓扑结构。
4.闭环控制电路分析
非接触能量传输的充电电路中可分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统包括原边的高频逆变电路和开环控制电路，与副边的高频整流电路和直流稳压电路。
原边高频逆变电路和副边高频整流电路可视为一级DC-DC变换器，副边的直流稳压电路视为二级DC-DC变换器。
开环控制系统工作在开环状态下，结构相对简单，目前大部分研究与产品都是基于开环控制系统的非接触传输[5]。
闭环控制系统在开环控制系统的基础上，从负载侧将输出电压的采样值引回到控制电路上实现稳压功能。
由于闭环控制的引入，闭环控制系统可以省去副边的直流稳压电路，属于一级DC-DC稳压输出，能量传输效率将比开环控制系统更高。
本文将基于闭环控制系统，设计一套非接触能量传输系统，提高传输的效率。
闭环控制电路设计主要基于芯片SG3525，工作原理为振荡器产生的方波信号与误差放大器输出信号通过PWM比较器和锁存器进行比较之后产生一个占空比可调的方波信号，然后通过触发器和或非门电路两路相反的信号。
在搭载外部电路过程中，可以将基准电压接在误差放大器的同向输入端上，将输出电压的采样电压作为反馈信号接在反向输入端上。
当输出电压升高时，误差放大器的输出电压将降低，则PWM比较器输出为正的时间增长，从而锁存器输出方波占空比变大，再通过或非门从而使得开关电路通路时间变短，从而使输出电压回落到
额定值，实现了稳态。
反之亦然。
在误差比较器的输入端管脚1和2和输出端管脚9之间可以接入不同类型的补偿反馈网络能实现不同反馈信号的处理，SG3525外接电路如图2所示。
5.实验分析与总结
5.1 实验结果与分析
为进一步验证分离式变压器拓扑结构设计，补偿容抗电路和闭环控制电路对非接触式能量传输效率的提升，现设计一套实验平台。
主电路采用全桥逆变电路，设计控制电路频率为20KHz，采用调压器提供的频率为60HZ、电压为50V的交流电作为输入，输出负载用24Ω/100W的电阻串并联模拟。
电压和电阻用万用表测量，小于10A的电流用万用表的电流档测量，精度0.01A，大于10A的电流用最大量程200A、精度0.1A的电流钳表测量。
测试数据如表1所示。
从表中可以看出，利用补偿容抗电路和闭环控制电路，圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器在气隙间距为5mm的时候，传输效率可达到69.76%，有显著提高。
同时电能传输效率随着气隙间距的增大明显下降，与理论分析结果相符。
5.2 总结
非接触能量传输由于分离式变压器存在较大漏感，系统的传输效率受到限制。
通过合理设计分离式变压器的拓扑结构，补偿容抗电路和闭环控制电路的引入可以一定程度上提高系统的传输效率。
实验证明，引入补偿容抗电路和闭环控制电路的圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器的传输效率显著提高，但随着气隙间距的增大传输效率明显下降。
参考文献
[1]闫卓.无接触能量传输系统初级变换器的设计[D].河北：河北工业大学，2007.
[2]Deron Keith Jackon.Inductively-coupled power transfer for electromechanical systems[D].Massachusetts Institute of Technology，1998.
[3]关学忠，孙胜勇，杨静，等.非接触式感应能量传输系统的分析与设计[J].电子技术应用，2008，2：63-65.。