2.2??? 原邊補償

??? LCIPT系統(tǒng)中，原邊載流線圈中流過有效值較高的高頻電流，可直接采用PWM工作方式的變換器獲得這一高頻電流，變換器的電壓電流定額較高，系統(tǒng)成本高。為此，必須采取必要的補償措施，來有效降低變換器電壓電流定額。與副邊補償相似，根據(jù)電容接入電路的連接方式，也可采用串聯(lián)補償和并聯(lián)補償兩種基本補償電路。

??? 在電容串聯(lián)補償電路中，電源的負(fù)載阻抗為

??? Z_t=jωL_p＋＋Z_r??? (10)

??? 電容電壓補償了原邊繞組上的電壓，從而降低了電源的電壓定額。

??? 在電容并聯(lián)補償電路中，電源的負(fù)載導(dǎo)納為

??? Y_t==jωC_p＋??? (11)

??? 電容電流補償了原邊繞組中的電流，從而降低了電源的電流定額值。設(shè)計時保證式（10）和式（11）的虛部在系統(tǒng)諧振頻率處為零，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。其結(jié)果列于表2中。

表 2??? 原 邊 補 償 電 容 值

??? 原邊采取何種補償電路，對應(yīng)用場合的依賴性很大。當(dāng)原邊采用較長電纜時，電纜端電壓會很高，適合采用串聯(lián)補償，降低電源電壓應(yīng)力；當(dāng)原邊采用集中繞組時，為了磁場發(fā)射需要，一般要求較高電流，適合采用并聯(lián)補償，降低電源電流應(yīng)力。

3??? 系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制

??? LCIPT系統(tǒng)中，原副邊都采用電容補償時，系統(tǒng)是一個四階系統(tǒng)，在某些情況下，會出現(xiàn)分歧現(xiàn)象。特別是在原邊電路的品質(zhì)因數(shù)Q_p比副邊電路的品質(zhì)因數(shù)Q_s小，或兩者相當(dāng)時，系統(tǒng)很可能不穩(wěn)定，此時必須對系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分析。同時，在LCIPT系統(tǒng)中，控制方案的合理選擇對系統(tǒng)穩(wěn)定和電能傳輸能力非常關(guān)鍵。目前，常采用兩種基本控制方案：恒頻控制和變頻控制。

??? 恒頻控制有利于電路元件的選擇，但恒頻控制對應(yīng)的問題是，電路實際工作中電容不可避免地會因為損耗產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致電容量下降，副邊實際工作諧振頻率會升高，原副邊電路不同諧，使得電能傳輸受損。變頻控制可以通過實時控制原邊諧振頻率，使其跟蹤副邊諧振電路頻率，使得原副邊電路同諧，獲得最大電能傳輸。但在變頻控制中，電源輸入電壓和輸入電流相角與頻率之間的關(guān)系很可能出現(xiàn)分歧現(xiàn)象，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，必須對原副邊的品質(zhì)因數(shù)加以嚴(yán)格限制。

4??? LCIPT系統(tǒng)設(shè)計

??? 對于緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，原副邊的電能關(guān)系可以近似用原副邊匝比變換關(guān)系來表示，因而其系統(tǒng)設(shè)計可以分為三個獨立部分：原邊電路、緊耦合磁件、副邊電路，分別進(jìn)行設(shè)計。緊耦合磁件的設(shè)計也有較成熟的設(shè)計步驟可依。

??? 但在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，原副邊電路的工作依賴性很大，如式(3)所示，原副邊的電能傳輸關(guān)系由多個變量決定，這些變量必須根據(jù)現(xiàn)有功率電子水平，及相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗初選一些值，然后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行下一步計算，確定參數(shù)。在整個設(shè)計過程中，所出現(xiàn)的多個變量都必須進(jìn)行選擇，而這些變量并非孤立的，而是相互之間都存在著一定的制約關(guān)系。因而，松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計比緊耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)要復(fù)雜得多。這里把松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的每個變量的含義，及選取方法做一說明，并繪成相應(yīng)的流程圖，如圖5所示，以便理解。設(shè)計步驟如下。

圖5??? LCIPT系統(tǒng)設(shè)計流程

4.1??? 選擇頻率

??? 選擇系統(tǒng)工作頻率是LCIPT系統(tǒng)設(shè)計的第一步，從式(3)可以看出，頻率大小的選取，與電源的復(fù)雜程度、成本及系統(tǒng)電能傳輸大小有密切關(guān)系。要綜合考慮應(yīng)用場合對系統(tǒng)體積重量要求、目前功率電子水平及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗來選取頻率。就目前功率電子水平及系統(tǒng)成本考慮，選擇10kHz～100kHz之間的頻率比較合理。隨著功率電子水平的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)頻率可望進(jìn)一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。

4.2??? 選擇松耦合感應(yīng)裝置

??? 緊耦合感應(yīng)裝置（如廣泛采用的變壓器）的結(jié)構(gòu)一般受限于現(xiàn)有的鐵芯結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)形式有限。但松耦合感應(yīng)裝置卻不受鐵芯結(jié)構(gòu)限制，根據(jù)各種應(yīng)用場合的需要，可能會出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式。在很大程度上，這些松耦合感應(yīng)裝置要依靠相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗來選擇。確定松耦合感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)后，要標(biāo)定一些基本的參數(shù)，如原副邊線圈電感量、耦合系數(shù)、互感等。

4.3??? 選擇原邊電流I_p

??? 在LCIPT系統(tǒng)中，傳輸電能大小、原邊電源變換器的成本都與用于磁場發(fā)射的原邊電流I_p直接相關(guān)。一般從相對較小的電流值開始選取I_p，從而對應(yīng)電源的低電流應(yīng)力。若經(jīng)計算后，這一I_p電流值不滿足系統(tǒng)電能傳輸要求，可進(jìn)一步增大電流值，再進(jìn)行計算驗證，直至系統(tǒng)設(shè)計滿足要求。

4.4??? 確定(V_ocI_sc)值

??? 根據(jù)所選擇的電磁裝置，在原邊電流為所選I_p時，測試出副邊接受線圈的開路電壓V_oc和短路電流I_sc。確定這一乘積(V_ocI_sc)也可以用一個與設(shè)計的接受線圈同匝數(shù)的小尺寸接受線圈來完成，避免因為接受線圈電流定額不夠而返工。當(dāng)然，也可采用相應(yīng)的電磁場仿真軟件包進(jìn)行模擬設(shè)計。但仿真設(shè)計過程比較復(fù)雜。

4.5??? 確定副邊補償

4.5.1??? 副邊補償?shù)燃?

??? 副邊電路不加補償時，負(fù)載能夠獲得的最大功率傳輸?shù)扔?V_ocI_sc/2)。如果負(fù)載所需功率值超過這一值，則副邊需要采用補償電路，副邊電路的品質(zhì)因數(shù)可用式（12）計算。

??? Q_s=??? (12)

式中：P為至負(fù)載的傳輸功率。

??? 從而副邊所需要的V·A定額為

??? S_s=P??? (13)

??? 如果副邊實際的VA定額高于式(13)的計算值，系統(tǒng)就可以傳輸所需的功率。反之，該設(shè)計不能傳輸所需功率P，必須對設(shè)計作出相應(yīng)的調(diào)整來增加功率傳輸能力。一般可以考慮以下4種途徑：

??? ——加粗接受線圈繞組線徑或增大鐵芯截面積；

??? ——增大原邊電流；

??? ——改進(jìn)電磁裝置的耦合程度，提高互感值M；

??? ——適當(dāng)提高系統(tǒng)頻率。

??? 第1種方案增加了副邊的成本；第2種方案增加了原邊的成本；第3種方案增加了松耦合感應(yīng)裝置的成本；第4種方案受現(xiàn)有功率電子技術(shù)的限制。實際設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮性能和成本選擇性價比最好的方案作為最優(yōu)設(shè)計。

4.5.2??? 副邊補償拓?fù)?

??? 當(dāng)副邊VA定額滿足設(shè)計要求后，下一步就應(yīng)當(dāng)確定副邊補償具體采用的拓?fù)湫问健Ｑa償拓?fù)涞倪x擇依賴于具體的應(yīng)用場合。并聯(lián)補償對應(yīng)電流源特性，適合于電池充電器等場合；串聯(lián)補償對應(yīng)于電壓源特性，適用于電機驅(qū)動供電等場合。

4.6??? 確定原邊補償

??? 副邊補償設(shè)計完成后，設(shè)計原邊補償。根據(jù)已知的原邊電流和松耦合感應(yīng)裝置原邊繞組電感量，可以確定原邊繞組端電壓。從而計算出原邊VA定額，用實際傳輸功率除以這一VA定額，可以得到原邊品質(zhì)因數(shù)Q_p的大小。如前所述，原邊補償電路形式也取決定于應(yīng)用場合。當(dāng)原邊采用較長電纜時，適合采用串聯(lián)補償；當(dāng)原邊采用集中繞組時，適合采用并聯(lián)補償。

4.7??? 系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性核查

??? 最后一步要對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性進(jìn)行核查，這是系統(tǒng)能否在實際應(yīng)用場合被采用的最關(guān)鍵的一步。如上所述，若Q_p<Q_s必須對系統(tǒng)進(jìn)行透徹的穩(wěn)定性分析。若系統(tǒng)不能保證在所有工作情況下控制穩(wěn)定，就必須對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。常用的方法包括增大原邊電流、改進(jìn)松耦合感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)或改變系統(tǒng)頻率等。

5??? 結(jié)語

??? 文中給出了松耦合感應(yīng)電能傳輸?shù)幕驹?，基于系統(tǒng)補償設(shè)計和系統(tǒng)控制問題的討論，給出了松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的一般性設(shè)計方法，這一系統(tǒng)的設(shè)計在很大程度上依賴于設(shè)計者對各設(shè)計參量之間相互依賴關(guān)系的理解，需要特別注意的是在各參數(shù)設(shè)計完成后，要對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性進(jìn)行全面的考察，確保系統(tǒng)設(shè)計的有效性。