小功率无线能量传输系统电容补偿方案研究

肖飞

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

0 引言

无线能量传输技术自诞生以来，就一直备受关注。近年来，无线充电技术在某些方面已经得到了一定的应用，例如用于电动汽车充电，心脏起搏器充电，手机无线充电等[1-4]。相比于传统的有线能量传输，无线能量传输具有灵活性高，通用性强，使用方便，适用于高湿环境等诸多优势。

尽管无线能量传输具有诸多优势，但低效率问题却是制约其应用的主要瓶颈[5]。目前常用的无线能量传输方案是根据电磁感应原理，采用分离式变压器模型进行能量传输。为了提高能量传输效率，可以采用对无线能量传输系统的初级和次级进行电容补偿。

本文针对电磁感应式无线能量传输系统初级和次级补偿问题，列出了4种补偿方案，推导了补偿电容的选择过程，通过系统仿真，评价了4种补偿方案。

1 无线能量传输系统电容补偿方案

对于普通变压器，初级线圈和次级线圈缠绕在铁芯线圈上，这种情况属于密耦合，在初级次级电磁感应过程中几乎没有磁通量的损失。而电磁感应式无线能量传输系统初级次级线圈的耦合则属于松耦合。图1为电磁感应式无线能量传输系统的典型结构示意图。这种耦合方式漏感大，降低了系统传递的有用功率。为了提高传输效率，一般需要在系统的初级和次级加入补偿电容。

初级补偿电容的目的主要是为了抵消初级漏感抗和次级反应感抗，次级补偿电容则主要是为了减小次级的无功功率[6]。

图1 电磁感应式无线能量传输系统示意图

根据电路的拓扑结构，可将电容补偿分为4类:初级串联-次级串联补偿(SS)图2(a)；初级串联-次级并联补偿(SP)图2(b)；初级并联-次级串联补偿(PS)图2(c)和初级并联-次级并联补偿(PP)[7]图2(d)。4种补偿电路的结构分别如图2所示。

图2 电容补偿电路

2 补偿电路分析

通过加入补偿电容的方法来提高系统的传输效率，其关键问题是选择合适的补偿电容。

对于未加入补偿电容的无线能量传输系统，其次级获得的功率为:

以初级串联-次级串联补偿系统为例，当在系统中加入了串联补偿电容，如图3所示。此时次级获得的功率为

在式(2)中，当时，P取得最大值，即次级获得最大的功率。故补偿电容为:

而次级反应到初级的电压为:

式中Z为次级电路的总阻抗。对于次级串联补偿电路，其次级电路的总阻抗为:

代入式(4)，可得次级电路反应到初级电路的阻抗为:

对于初级串联-次级串联补偿补偿系统，其初级电路的总阻抗为:

为使初级电路呈现纯阻性，需要使式(7)虚部为0，可得:

对于其余的3个补方案，其分析方法与初级串联-次级串联补偿电路的分析方法类似，这里不再赘述。

3 结果分析与讨论

为了进一步分析无线能量传输过程中电容补偿的效果，现利用MATLAB对无线能量传输系统进行仿真，系统参数如表1所示。

表1 系统参数

为了方便讨论，这里取L1=L2=L，L的变化范围为0至100 μH，图3为加入初级串联-次级串联补偿电路后系统次级获得的功率，可以看出，电感在80 μH左右，该类补偿电路使系统获得最大传输功率。

图3 初级串联-次级串联补偿次级获得功率

图4 为四种补偿网络次级获得功率的对比。从图可以看出，在电感较低时，采用初级并联-次级并联补偿可以使次级获得较高的功率，但其缺点主要是随着电感的增加，传输功率迅速衰减。而初级串联-次级并联补偿则对于电感的变化不敏感，次级获得的功率一直比较稳定。因此，当系统电感较大时，初级串联-次级并联补偿和初级串联-次级串联补偿可以看作是比较理想的选择。

图4 各补偿网络效果对比

4 结语

针对电磁感应式无线能量传输系统初级和次级补偿问题，列出了4种补偿方案，推导了补偿电容的选择过程；通过系统仿真，对4种补偿方案的补偿效果进行了分析与比较。结果表明:初级并联-次级并联补偿在低电感情况下补偿效果较好，初级串联-次级串联补偿和初级串联-次级并联补偿在高电感的情况下补偿效果较好。

[1]赵兴福，魏健.电动汽车无线充电技术的现状与展望[J].上海汽车，2012(6):3-6.

[2]陈玉芳.一种对植入式心脏起搏器进行体外无线充电的设计[J].中国医疗器械信息，2010，16(007):19-21.

[3]Cook N P， Sieber L， Widmer H.Antennas for Wireless Power applications:U.S.Patent Application 12/210，201[P].2008-9-14.

[4]孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京:北京邮电大学，2012.

[5]曹玲玲，陈乾宏，任小永，等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[J].电工技术学报，2012，27(8):1-13.

[6]张鹏翀.小功率无线能量传输系统关键技术研究[D].南京:南京理工大学，2013.

[7]安慰东.提高随钻系统中非接触式电能传输效率的研究[D].西安:西安石油大学，2010.