无线充电系统的非对称耦合线圈研究

2023-03-22张永恒崔俊涛翟逸飞

科技风 2023年7期

张永恒崔俊涛翟逸飞

兰州资源环境职业技术大学甘肃兰州 730021

无线电能传输技术为安全供电和绿色供电提供了一种新的方法，利用该技术为设备进行供电将成为新的发展趋势。现阶段无线电能传输耦合线圈多采用对称结构，然而在实际应用中，设备对发射线圈与接收线圈的需求不尽相同。这需要设计不对称结构的线圈以满足不同需求。

1 系统结构

1.1 系统的等效电路

图1为无线能量传输系统等效电路图。其中R1、R2为原副边线圈等效电阻；M为线圈互感；Ud为输入直流电压；u0(t)为通过高频逆变器后变换后输出的电压。

图1 系统等效电路图

1.2 引入阻抗

对图1所示电路列KVL方程:

(1)

(2)

(3)

所以一次侧等效阻抗：

Z1=Z11+(ωM)2/Z22

(4)

则一次侧等效电路如图2所示:

图2 一次侧等效电路

通过分析可知，二次侧阻抗的反映阻抗与二次侧的等效阻抗性质相反。

1.3 集肤效应

当谐振器线圈中通过高频电流时，由于集肤效应使线圈的等效内阻增大，从而导致损耗增加。集肤深度d为：

(5)

由于线圈中通过的是高频交流电，导体中电流分布不均匀，因此线圈导线的交流参数与直流参数是不同的。由式(6)可以计算线圈导线中某一体积内的等效电路参数。

(6)

(7)

(8)

将式(7)、式(8)代入式(6)得：

(9)

由此得到交流电阻和内电抗为：

(10)

内电感为：

(11)

则高频下线圈的等效电路如图3所示。其中Rac是交流电阻，L是线圈电感，Li是高频时线圈导线的电感。线圈的等效电感Leq=L+Li。

图3 高频下线圈的等效电路

由此可知,线圈的等效电阻和等效电感都会增大，其中等效电阻随着频率的增大而增大，等效电感随着频率的增大而减小，但比线圈的自身电感要大。

1.4 效率分析

对此系统列基尔霍夫电压定律得：

(12)

其中：

(13)

解之得：

(14)

由此可得，线圈L1的输入功率和负载电阻RL的接收功率分别为：

(15)

(16)

系统的效率为：

(17)

(18)

当仅有一次侧谐振时，Z11=R1，此时系统的传输效率：

(19)

同理可得当仅当二次侧谐振时，系统传输效率为：

(20)

当一次侧二次侧同时发生谐振时，系统效率为：

η4=ω2M2RL/{(R2+RL)×[R1(R2+RL)+ω2M2]}

(21)

(22)

其中L1eq和L2eq是发射线圈的接收线圈的等效电感。

1.5 功率分析

当系统的一次侧和二次侧都发生谐振时，负载电阻RL的接收功率为：

(23)

(24)

由此可以看出，随着C1的增大，接收功率先增大，后减小。因为L1eqC1=L2eqC2。所以C的增大等价于L的减小。在设计系统时，在满足谐振条件的基础上选择合适的电容电感组合可以增大接收功率。

2 实验与仿真

2.1 电路设计

主电路：原边采用功率开关管构成全桥逆变电路，原副边采用S-S补偿方式，副边采用全桥整流电路。

图4 电路设计原理图

2.2 系统仿真分析

用Multisim搭建如图5所示仿真电路，设置L1、L2为耦合电感，耦合系数k1=0.1。取二次侧电容C2=100μF，电感L2=100μH仿真结果如表1和表2所示。

图5 Multisim仿真图

表1 满足谐振条件时的仿真结果

表2 不满足谐振条件时的仿真结果

由仿真结果可以看出，当L1C1=L2C2时系统可以高效地传递能量，且传输功率随着电容的增大先增大后减小。当L1C1≠L2C2时，系统的传输效率会急剧减小。

2.3 实验分析

系统硬件电路如图5所示，导线半径0.5mm，线圈半径10cm。一次侧线圈电感为100.8μH，串联电容为5600pF。二次侧电感为56.5μH。实验结果如表3～表4所示。

表3 不同条件下的传输结果

表4 不同谐振频率下的等效电感

其中表3条件下一次侧等效电感分别为108μH和106μH。二次侧等效电感分别为60μH和59μH。由于实际电容不连续以及实验误差，无法精确满足条件。但通过实验结果可以看出，当不满足L1eqC1=L2eqC2时，系统的传输效率非常低；当接近L1eqC1=L2eqC2时，系统传输效率明显提升。同时在高频下线圈的等效电感会增加，频率越低，增加的电感越大。