【《电磁感应式无线电能传输（IC-WPT）技术分析》2100字】

电磁感应式无线电能传输（IC-WPT）技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u1449电磁感应式无线电能传输（IC-WPT）技术分析 1190991.1.1IC-WPT系统结构 1111021.1.2耦合器等效模型分析 21.1.1IC-WPT系统结构 电磁感应这一现象最早由电磁学奠基人、英国物理学家迈克尔法拉第在1831年所发现。当导线处在变化磁通量中，会产生被称为感应电动势的电动势，若导体闭合形成回路，电子就会被感应电动势驱动流动而形成感应电流。IC-WPT系统通过空气为介质，基于电磁感应原理，实现WPT传输，能量由一次测通过电磁场传输到二次测。能量传输过程大题分为：装置一次侧经由家用220V两相市电或商用380V三项工业用电输入能量，能量通过电能变换处理模块进行整流处理后再经由高频逆变器，原本的低频交流电能转化成高频交流电能，通过空气介质，由耦合线圈将电能接收至二次侧，经过二次侧整流装置转化为直流电，输送至充电线路中，充电线路经过处理后为BEV的动力电池组进行充电。 如下图2-1，在直流负载下，IC-WPT系统结构框图。负负载控制环节采样环节子电路整流环节 高频逆变环节电磁感应线圈 整流环节图2-1 直流负载IC-WPT系统拓扑当负载变为交流负载时，二次侧电流因为频率较高，所以接收后仍不能直接供电给交流负载，需要经过整流成直流电流后再次经过逆变形成交流电再输送进负载。负载为交流负载时IC-WPT拓扑结构如图2-2所示。图2-2 交流负载IC-WPT系统拓扑IC-WPT系统中的电能传输装置为耦合器，将低频交流电转换为高频交流电，通过电磁场输送出能量的部分为一次能量变换部分，能量接收则通过二次副边线圈进行，接受后的能量通过二次侧的处理电路，进行整流和滤波处理后，供给给交流逆变电路变换成交流电后输入交流负载或者直接输入给直流负载。 传输电能的主电路也需要控制电路进行控制配合，在系统中主要负责对主电路电压电流大小，频率高低等信息采集，经过处理比对后讲控制信号传送给一次侧能量变换设备，控制其发送的电量，同时对二次侧逆变电路进行控制，使其逆变频率符合接收电能的频率。1.1.2耦合器等效模型分析由上述可知，IC-WPT电能传输系统中主电路等效于一个无铁心以空气为介质的松耦合变压器，结合耦合模，互感，漏感等理论，建立等效模型，利用数学方法通过一系列微分方程租的联立，求解方程组获得各个独立单元间的关系，从而进一步分析得到所建立的系统模型传输特性。 i1 M i2 i1L1 L2 i2++-+-++-- (1)互感 (2)互感等效模型图2-3电磁感应电路与等效模型如图2-3所示，其为电磁感应电路拓扑及其等效模型，其中L1,L2分别为一次线圈，二次线圈的自感值，M为一次线圈与二次线圈之间的互感值，如将线圈内阻忽略，可根据公式得如下传输方程组。&U1=di1L1dt+将耦合系数定义为： k=ML1L2 而当二次侧接入负载时，一次侧线圈与二次侧线圈均会产生内阻，此时不能忽略内阻，设一次侧线圈内阻为r1，二次侧线圈内阻为r2，Rl为直流负载内阻，根据公式2-1，转化时域方程，变为代数方程，从而的一次线圈与二次线圈方程组：U1=i1r1+Mji1ω-i2Ri=+-R1L1UsL2 R2r2Rl图2-4直流负载时具有阻抗的互感模型设从一次侧角度，看二次侧的等效电路阻抗为Zr，则有Z2=-Mi2jωis2则二次侧线圈中总阻抗为 Z2=R+L2jω+r2经化简得 zr=Mω2z2 通过反应阻抗，可将二次侧线圈等效电路等效至一次侧，然后进行分析和计算，如下图2-5所示 iiL1U1+-r 图2-5 等效电路负载等效的输入阻抗为： Zi=jX+r=jωL1+Zr公式中r——代表电阻，为系统的有功负载X——代表电抗，为系统的无功负载经过以上分析可知，负载等效至一次侧电路后，其阻抗成分除纯电阻性成份外还有电抗成分，电抗成分主要为感性成分，电抗的存在影响系统整体，尤其是功率系数的影响，因此对电源的要求大大增加，且电抗的维持抵消也会产生大量的无功功率，进一步压缩最终能够进入负载有功功率比例，使得充电效率大大降低。因此只有将整个IC-WPT系统中的感性电抗约束至可接受范围之内，才能够进一步提高IC-WPT系统的有功功率比例。但IC-WPT系统因其电磁感应式的工作原理，必须通过较大量的无功功率来维持电磁场的存在，系统无功功率越大，传输距离也会随之增加。但大量无功功率也会对系统的稳定性产生影响，对电网接入造成一定冲击。一般情况下，补偿电磁耦合系统的的感性成分可通过增加电容的方法，以串联或并联方式，将电容设置在电磁耦合系统的一次侧二次侧线圈，当补偿的电容值、拓扑结构建立适当时，LC电路就会达到谐振状态，即为谐振补偿。如图2-6为一种较为高效的使用介入补偿电容的方法提高IC-WPT系统电能有功功率传输效率的结构原理图，一次侧电路直接连接高频交流电源，结构中省去了高频逆变部分，二次侧接负载。一次侧与二次侧上连接的电容用来减小两侧线圈的漏电感，增大传输功率.C2L1R1 L1C2L1R1L1C1L2C2RFR1C1 L11r2图2-6电容补偿式IC-WPT原理图由Kirchhoff定律得 U1=I1jωL1-jω ωjI2M=R2I2+jω I2=MI1ωjL2ωj-j（2-10）带入（2-8），得（2-11） U1=L1jω-jω 由（2-11）得 I1=U1jL1ω-jC I1=UruZru+Zfy 当系统工作在共振频率时，此时虚部为零，因此，通过公式（2-10）可得公式（2-14） &I2=I1MjωR2+R通过联立（2-12）与（2-13）可得（2-15） &I1=U1M2ω2假设忽略一次侧线圈等效内阻与二次侧线圈等效内阻即忽略（2-14）、（2-15）中的R1与R2，得 &I2=I1ωjMRl &I1=RfUruM2ω设Rl=wM，由式（2-16）与（2-17）得，I1=I2，U1=U2。由此可得，当wM与Rl相等时，一次侧电流电压与二次侧电流电压相等，此时达到理论上的最大传输效率。在IC-WPT无线充电系统下，一次侧发射线路产生无序电磁波，在整个空间内扩散，二次侧接收线圈处在这一变化的磁场中