无接触供电系统功率和效率的分析与优化
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摘要：为解决在无接触供电系统中，传统的互感耦合系数无法提供原副边独立设计，造成系统功率和效率设计困难的问题，提出一种新的能效计算方法。基于新的耦合系数定义，推导了副边串并联补偿功率和效率，实现了磁感应结构能效设计解耦。通过分析副边绕组匝数、品质因数、截面积等磁耦合结构参数与能效的关系，发现了能效与副边匝数无关的特性，并给出了无接触供电系统的原、副边参数设计流程，提出了功率和效率优化原则和方法，达到了优化磁芯结构、提高系统功效的目的。最后，开发了实验样机，通过实验和仿真验证了理论分析的正确性。
关键词：无接触供电；互感耦合系数；效率；解耦；品质因数
中图分类号：TM131
文献标志码：A
文章编号：1005-2615（2015）01-0125-07
无接触供电（ Contactless power transfer，CPT）系统由原边和副边两部分组成，作为一种新的供电方式，CPT实现了供电没备的物理分离，增加了设备的灵活性，弥补了传统移动供电中存在的磨损、积碳、电火花等缺陷。
为了分析系统的传输功效特性，需要对系统的磁路进行分析。通常采用的方法为互感模型，其互感参数由互感耦合系数与原边副边的电感决定。目前，在CPT系统应用场合，通常是一个或多个副边拾取线圈与同一个原边线圈耦合，形成一个分布式系统.例如导轨式CPT系统。由于传统的互感系数考虑的足系统总的磁感应效率，不能提供每个不同结构的副边拾电器参数，不能将拾电器独立于系统考虑.无法实现拾电器和原边电缆的分开独立设计，造成系统分析设计困难。
针对上述问题，提出了一种新的磁感应系数和基于恒流源电路的互感模型。采用该模型实现了原副边磁感应结构设计的解耦。基于这种新的磁感应系数，分析了系统整体特性.但未独立分析原副边各自能效特性，同时引入的导体间互感耦合系数（Inier conductor couplingfactor，ICCF）和磁阻难以理论计算，具有一定的局限性。
为了实现磁感应结构能效设计，提供功率和效率在磁耦合结构上的优化原则和方法，本文提出了一种适用于分布式CPT系统能效计算的新方法，完成了原、副边解耦和独立的能效设计。全面分析了绕组匝数、品质因数、截面积等磁耦合结构参数与功率和效率的关系，给出了原副边参数设计流程和能效优化设计方法。最后，以E型磁耦合结构为例，通过实验和仿真验证了理论分析的结果。
1 考虑内阻的副边能效
在CPT系统副边电路中，采用串联或并联电容的方式对副边线圈电感进行补偿，可有效提高系统的电能输出能力和效率。为了准确分析系统能效.考虑剐边线圈内阻，并对系统做如下近似：（1）忽略磁芯材料的非线性特性；（2）忽略绕组内外圈差异；（3）忽略趋肤阻抗的动态变化。
副边分别采用串联和并联补偿的等效电路如图1所示。考虑线圈内阻后，串联补偿电路仍然可以等效为串联谐振.而并联补偿电路难以简单等效为并联谐振电路。
设副边线圈感应的交流电压有效值为Ui。Ip为原边电流，原、副边互感为M，频率为ω，副边自验证各参数的可实现性，否则重新调整Q或磁芯儿何结构来改变kφ，再次计算，直到设计符合要求。
3.2 副边优化设计方法
3.2.1 品质因数Q的选择与优化
系统的有功功率与谐振电路的品质因素Q成正比。设计中Q的选择十分关键。CPT系统中，Q过人导敛多零相位解，使凋谐非常困难，而且系统对器件参数的变化过于敏感，具体表现为非阻元件电压流过大，无功分量过大。因此，在实际电路中，Q 一般为2～10之间。
由式（6，9）发现，无论串联还是并联，品质因数Q还可以表示电压放大率，即电容上电压与副边电感线圈开路电压之比，则实际系统中普通电容元件的耐压限值影响Q的提高。因此，设计完成后，需要对电容耐压做可实现性验证。在满足功率的前提下，较低的Q值，可以提高系统效率。此外，某些特殊工艺的电容由于耐压极高，则可采用高Q值电路，增强功率传输能力。例如MIT的无线供电，采用金属平板电容，其电路Q可以高达2 500。
3.2.2 副边的磁芯选择与优化
由以上分析可知，满足副边额定功率的条件下，提高副边Q 可以降低是kφ，从而减小副边系统磁芯体积和质量。因此，在原边参数确定的情况下，副边系统的设计可以通过逐步增加磁芯沿原边电路方向的宽度.多次计算求得副边磁芯结构的优化解。实现在给定原边参数的情况下，副边磁芯的优化设计，从而小剐边结构大小和质量。
另外，也可以寻求在不改变磁芯结构的条件下，通过调整磁耦合原边电缆走线、位置等，达到提高kφ的目的
4 系统实验与分析
为了验证本文公式的推导，以及匝数对副边功率、效率无影响的推断，选择两套副边电路进行实验。如图1（a）所示串联补偿，采用相同的E型磁芯，选择不同的副边匝数。将实验电路置于开发的具有原边恒流的无接触供电系统进行实验，如图 5所爪。
实验采用的副边磁芯材料为高频功率铁氧体PC40，主要参数：饱和磁通密度Bs为500 mT，矫顽力Hc为16A，/m，饱和磁场强度H为800 A/m。实验通过仃限元仿真分析的方法，求解磁芯在原边最大电流瞬时峰值IP为12 A的激励下的磁通密度，磁芯结构参数和仿真结果如图6所示。由图看出最大磁通密度约为2 mT，远远小于材料饱和磁通密度Bs，满足前文的似设条件。
实验采用原边电流参数：交流正弦电流峰峰值17 A，频率20 kHz。副边电路参数如表2所示，在保持副边线圈截面积相同的情况下.调节负载电阻，测量负载电流，从而计算出品质因数和功率用于分析。
由实验结果看出，考虑趋肤电阻后理论计算的功率与实验数据非常接近，验证了副边输出功率与匝数无关的结论和关于功率和效率的推导。同时发现，不考虑趋肤阻抗的理想曲线与实际出入较大，证明实验中存在较大趋肤阻抗。另外，比较两套副边电路发现，在品质因数较低的情况下，获得的实际功率略大于等效阻抗下的理论曲线，而在品质因数较高时，获得的功率小于理论曲线，并且功率相距较远。其原因是在高品质因数时，电流较大，趋肤阻抗增加所致。
趋肤效应产生的线圈内阻影响显著，当匝数多、电流大时，趋肤电阻大。因此，系统设计中，必须采用一些降低趋肤阻抗的方法。由本文结论可知，保证线圈导线总截面积不变，采用多股导线绕制副边线圈可以降低匝数及趋肤损耗，但是匝数少将需要更大的补偿电容，因此设计中需要做到兼顾。
5 结束语
在CPT系统中，原副边相互耦合，基于传统的互感耦合系数难以独立设计副边系统功率和效率参数，造成系统设计困难。本文提出一种适用于CPT系统能效计算的新方法，基于新的互感耦合系数给出了副边串并联补偿功效的推导，实现了CPT系统设计解耦和串、并联副边公式统一。通过详细分析副边绕组匝数、截面积等磁耦合结构参数与能效的关系，发现副边的功效与线圈截面积有关，与副边线圈匝数无关，并分析给出了基于品质因数、磁芯结构、磁耦合结构的优化设计原则和方法。最后，完成了实验样机，通过实验和仿真验证了理论分析的结果。本文提出的方法可以完成CPT系统的原副边主参数设计解耦和优化，有助于简化系统设计、降低磁芯质量、提高系统功率和效率。