无线电能传输技术-基础理论

1、一基础理论1.非接触感应式电能传输系统的基本原理无接触感应式电能传输(Contactless Inductive Power Transfer) 是利用变压器的感应耦合的特点(如图1),将传统变压器的感应耦合 磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，电源和负载单 元之间不需要机械连接进行能量耦合传输。这种初、次级分离的感应 耦合电能传输技术不仅消除了摩擦、触电的危险，而且大大提高了系 统电能传输的灵活性，显著减小了负载系统的体积和重量。正因为感 应式电能传输系统的功能性好、可靠性高、柔性好，加上无接触，无 磨损的特性，能够满足各种不同条件下电工设备用电需求，同时兼顾 了信息传输功能的需

2、求。在十九世纪末二十世纪初，特斯拉就提出交 流磁场驱动小灯，但是由于技术和材料的限制，效率很低。随着电力 电子技术、高频技术和磁性材料的巨大发展以及多种场合下电工设备 感应式供电需求的增长，这种新型的能量传输技术正逐步兴起。图1非接触感应式电能传输系统2.非接触感应式电能传输系统的结构及工作原理相对于传统的感应电能传输系统，非接触感应式电能传输系统 耦合程度较小，为了增加磁能积利用率，减小体积，提高系统的功率 传输能力，初级电路通常采用高频变流/逆变技术，使交流电压在较 高的频率上工作。如图2所示，非接触感应式电能传输系统的基本结 构包括：初、次级电路以及感应耦合电磁结构。初级交流电压经初级

3、变换器，由初级绕组与次级绕组耦合，次级绕组耦合得到的电能经次 级变换器供给负载使用，同时利用初次级绕组还可以实现信号的双向 传输。1初级父流电压m初级变换器切冒初级绕组_ I:负载次级变换器吁=次级绕组次级环节耦合环节能量数据图2非接触感应式电能传输系统构成框图系统工作时，在输入端将经整流、逆变的单相低频交流电转换成高频交流电流供给初级 绕组。次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直流负载，则将高频电流 经过整流为负载电能传输；若为交流负载，则根据需要进行交交变频或交直交逆变处理。这 种能量传输方式有以下优点：1、没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传输能力不受环 境因素，如尘土

4、、污物、水等的影响。因此这种方式比起通过电气连接来传输能量，更为可 靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；2、系统各部分之间相互独立，可以保 证电气绝缘；3、能够采用多个次级绕组接收能量时可为多个用电负载电能传输；4、变压器 初、次级可以相互分离，配合自由，可以处于相对静止或运动状态，适用范围也更广泛。二无接触电能传输系统的拓扑结构模型非接触感应式电能传输系统有三个环节：即作为供能和接收环节的初级和次级电路，以 及传输环节的耦合电路，在此基础上对三大环节进行分析，得到非接触感应式电能传输系统 性能的影响因素，得出非接触感应式电能传输系统的选型和参数匹配的方法。具体表现在通 过结构创新，

5、提高磁能积利用率，减少体积，提高效率。1.供能环节一初级电路初级端供电质量将直接影响传输性能，它是非接触感应式电能传输系统中的重要构件。 提高变换器效率，减小输出谐波分量，实现正弦波电压或电流供电是初级变换器的研究和发 展的方向。初级变换器一般包括整流电路与高频逆变电路两部分。为了提高变换效率，常采 用谐振技术，利用初级绕组漏电感实现谐振变换。(a)(b)图3初级电路变流/逆变拓扑模型的选择波形发生电路：采用DSP2812实现PWM电流源控制，功率放大电路采用E型放大器。当电压源逆变器以正弦波脉宽调制方式(SPWM)运行时，施加在电动机端的电压接近正弦。 为了在电动机端得到基波和高频波的叠加波

6、，可推知应该用叠加波取代正弦波作为调制波。 为方便起见，以单相全桥逆变电路为例来研究叠加电压的PWM调制行为。谐波特性，所得 的结论将不失一般性。电路如图4所示，由四个IGBT全控器件和四个续流二极管组成的单 相全桥逆变器错误！未找到引用源。PWM发生电路产生占空比为50%的PWM控制信号， 由于电路上、下桥臂的MOSFET不可以同时导通，因此，添加死区时间延迟单元。T1、T4 导通的时候，T2、T3关闭。T2、T3导通的时，T1、T4关闭。图4单相全桥逆变器为了方便实验中电压源和电流源的实验比较，使用EI的LM358p放大器芯片，实现电 压源到电流源的转换电路如图5所示。图5基于LM358p

7、电压源到电流源的转换电路2.传输环节一耦合电路分析初、次级绕组之间耦合的建模方法，最常使用的是传统的变压器模型和互感模型。无接触变压器与传统的变压器的本质区别，在于初、次级之间的耦合性能差异。耦合系 数k是度量两个线圈磁耦合程度物理量，0 k 1。对于传统的变压器，耦合系数通常在 0.950.98之间，接近于1。而无接触变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在0.8以下， 有的甚至不到0.1。用0.5作为阈值分野，定义k0.5, 则称为紧耦合。虑到采用互感模型分析的以上优点以及无接触变压器的疏松耦合特性，下面将采用互感模型 来分析无接触变压器中初、次级绕组之间的耦合环节，如图6所示。Il M

8、12图6非接触感应式电能传输系统互感模型为了简化分析，一般设次级端所接负载zL为纯阻性负载rl。图7为非接触感应式电能传输系统电路分析模型，定义初级绕组中的电流为I，两端电压为U。jMI为初级电流J在次级中感应产生的电压，jMI为次级中的电流/在初级线 TOC o 1-5 h z 11122圈中的感应电压值。在相互感应电压的过程中，实现了能量传递。以图中给出电流的方向为 正方向，可得初、次级电路的方程为： HYPERLINK l bookmark13 o Current Document I （加L + R ）-1 加M = U（1）11121 HYPERLINK l bookmark16 o

9、 Current Document I （jrnL + R + R ） = I jM（2）222 L 1图7非接触感应式电能传输系统电路分析模型（3）（4）Z - sM1-sMZ2II2(5)因为，Z = js L + R , Z =加L + R + R，更一般的，可以得到阻抗传输公式 111222 LIZ-12 js M = U112 Z 2-11 js M = 0用矩阵表示为式中S= j阻抗分析：次级系统对初级的影响通过次级反映阻抗zr2来体现。反映阻抗zr2表示次级电路的阻 抗Z2通过耦合，在初级电路中表现的电阻值，反映了次级电路阻抗对初级电路的影响。初 级电路中，反映阻抗吸收的复功率就

10、是次级系统吸收的复功率，直接反映了系统的功率传输 性能。jsMI2I1jsMjs MIs 2 M 2 ZZZ22s 2 M 2 -nrZ (6) |Z I2 *2图8引入反映阻抗后的初、次级等效电路一般电感互感计算公式：在电流密度相同的情况下，线圈与相应整体线匝的磁场应是一样的，N匝线圈的电流只是相 应的整体线匝电流的1/N。因此，从诺伊曼公式可知，线圈的电感乙为相应整体线匝电感L的N2倍，即L = N2L。同理，两个各为%和N2匝线圈的互感M为相应整体线匝的互感M的NXN2倍，即M = N1N2M 。因此，一般只需分析单匝线圈之间的相互影响，就能 够进一步的得出多匝线圈之间的相互耦合关系。定

11、义耦合系数k=m / yLL2(6)式中：ki初级线圈产生的磁通交链到次级线圈的百分数;k2次级线圈产生的磁通交链到初级线圈的百分数。互感公式影响因素：定义、r2为线圈半径(&)，d为初次级线圈中心平面间距，为线圈中心偏移量，a为线 圈偏移角。理想状态下，互感M的值可以用以下公式表示式中:(4rr1，(r + r )2 + d2K(k)、E(k)分别对应第一类和第二类完全椭圆积分K (k) = j Jd =卜_ 仆0 (1 z2)(1-k2z2)0 (1 一k2 sin2 8)=-1+ (kk 2 + ()2k 4 + (Mk 6 +1 TOC o 1-5 h z 222口42E (k) =

12、Il k2z2 dz = f K/：；(1 k 2sin2 8) d8=-1+ ()2 k 2 +(i3)2k 4 (35 6 J2222MM 龙 2 定义G(k) = (- k)K(k)-丁E(k)，则在理想状态下，互感的值可以表示为 kkM (匕,d)=七 yJrT (k)(a)距离对互感M的影响线圈距离分别为3cm、6cm、9cm和12cm时对互感的影响如图9所示0.000300.000280.000260.000240.000220.000200.00018-0.00016-0.00014-0.00012-0.00010-0.000080.000060.000040.000020.00

13、000图9线圈之间的距离对互感的影响（b）半径、距离、水平偏移对互感M的影响在存在水平位移，且aL1时，互感的值可以近似表示为M , d, A)=日rrG ( k ) r (r + A)1 2式中:4W +A)，|k| 1(r + r + A )2 + d 21 1对于两个半径均为6cm的线圈，分别取它们的垂直距离为3cm、6cm、9cm和12cm时，水平偏移对互感的影响如图10所示1密酝瞻M图11频带宽度图10水平位移对互感系数的影响（计算值）Q值的优化:对于一个谐振曲线如图11所示，定义谐振曲线峰值两 侧最大值的70%处频率之间的宽度为频带宽度，大小为两 边缘频率之差Av = |v2 -七

14、|。可以得到：v _ Aw _ 1v Q即频带宽度反比于谐振电路的Q值，Q越大，能量就越集 中，频率的选择性就越强。此时，较小的频率偏移量就会造 成传输效率的迅速降低。因此维持较高的Q值会使系统对 于参数的变化过于敏感，电路调谐变得困难。当频率点发生 变化时，较小的Q值意味着谐振频率尖峰较为平缓的，对 频率点的漂移不敏感，鲁棒性较好。进一步得到对于信号传输，传输带宽B = f0 / Q，Q的增大 将使带宽减小，带宽的减小意味着系统信号传输更容易受到 频率失配的影响。3.接收环节一次级电路根据最大能量传输定理和谐振理论，当工作频率和系统（初级、次级电路）固有频率相 同时，能够获得最大传输效能。为

15、达到最优性能，固有频率气一般取w实际应用中，当（甲1和:右&不能保证严格相等时，固有谐振频率可以近似表示为S =0 C普+n 2 WC1+K）n初、次级线圈匝数比C1初等效电容；C2次级等效电容；L1为初级电感；L2为次级电感。随着耦合系数的下降和运行频率的提高，初、次级回路的电抗参数呈几倍、甚至几十 倍的增加。为了改善初、次级回路的供电性能，需要对初、次级回路的无功功率进行补偿。所谓功率补偿，就是利用最大功率原理，使负载阻抗是输出阻抗的复共轭，这时负载 获得最大功率。通过初级补偿，可以提高初级绕组输入端的功率因数（位移因数），提高供电质量；在 初级补偿的基础上，通过次级补偿，可以提高系统的输

16、出功率和传输效率。初、次级补偿都可以有串联补偿和并联补偿两种方式。如图12所示。图12初、次级的串联补偿和并联补偿（S：串联、P：并联）并联电容器用于补偿感性无功功率；串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感 性无功功率流动和提高线路受电端的电压；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容 器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保 护并联电容器的作用。（1）初级补偿初级采用串联补偿时，在谐振频率下，串联补偿电容上的电压降与初级端的感抗压降相 抵消，降低了对初级供电系统的电压要求；并联补偿时，流过并联补偿电容的电流注入或吸 收了初级绕组中电流的无功分量，

17、从而降低了对供电系统的电流要求。初级串联谐振补偿电容C =1(L + X )初级并联谐振补偿电容C _ L + X1 R + (L +X )2初级没有进行补偿时，变换器的总输入阻抗为Z = jo L + R + Z对初级串联补偿电路，变换器的总输入阻抗为Z = + jo L + R + Z1对初级并联补偿电路，变换器的总输入阻抗为Z =加 C1 + jsL + R + Z11 r(2)次级补偿次级采用串联谐振补偿时，次级补偿电容压降和次级感抗压降相抵消，从而串联补偿的 次级绕组端口近似等效于电压源，端口电压不受负载值影响；次级采用并联谐振补偿时，流 入次级补偿电容中的电流与次级导纳中电流的无功

18、分量相抵消，并联补偿的次级绕组端口近 似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响。因此，负载端的输出功率将得到大大 提高。没有补偿时次级电路的阻抗为Z2 = jo L2 + R2 + Z次级串联或并联时补偿电容C2为C2 =o 2( LL1 - M 2)1 2次级补偿当负载电阻较小时，采用串联补偿可以大大提高传输能力，而当负载电阻较大 时，采用并联补偿更具优势。当耦合系数k取较小的值(k0.01)时，可以忽略初、次级电路相互的影响。此时，初级补偿电容C可以取C =-，次级补偿电容C可以取C =111 o 2 L22 o 2 L12当运行频率偏离谐振频率时，电源端的视在功率都急剧上升。但当运

19、行频率小于谐振 频率时，并联补偿初级视在功率增加较慢；而当运行频率大于谐振频率时，串联补偿初级视 在功率增加较慢。为了克服上述串联和并联补偿的不足，一般使用串、并联补偿相结合的方 式。二基于PCB的感应式能量传输系统1.基于PCB的磁集成技术随着微电子技术的发展，在线圈小型化方面，采用了印刷电路板PCB方式的平面(planar) 变压器技术，大大减小了感应线圈的体积，提高了能量密度。平面变压器技术具有以下优点： 1、工作频率高(50kHz2MHz)，能量密度大(达到100W/g)； 2、体积小，空间紧凑，适 于自动化安装；3、采用PCB或铜箔，散热面积大，减少在高频工作条件下由集肤效应和临 近

20、效应所引起的涡流损耗并有利于散热；4、传统绕组的电流密度为26A/mm2，而平面变 压器可以高达20 A/mm2； 5、PCB板绕组容易实现任意绕组的交替绕制，实现初、次级线圈 的紧密磁耦合，从而减少漏感和绕组涡流损耗。把绕组直接绕在电路主板上，并在主板上预留安装铁心的孔位，然后把平面EI型铁心 安装上去，做成高功率密度的开关电源；也可以初、次级线圈都采用双面PCB板(电流较 大时用铜箔代替)，现在多层PCB板已经达到了 20层。美国IMB公司在20世纪80年代初就提出了平面(Planar)变压器技术。作为一种超薄型 (Low profile)变压器，平面变压器结构包括平面磁心和平面绕组。平面

21、变压器适用于便携式 电子设备高密度电源、卡式UPS电源等。例如，50W高密度的板上开关电源，用EI型平面 磁心，其厚度仅为0. 5cm，平面尺寸为1.27cm*1.78cm。90年代已有标准的EE型和EI型 等平面铁氧体磁心。平面变压器的优点是体积重量小，漏感小，在相同功率下，平面变压器的体积仅为传 统变压器的20%。传统变压器为了减少漏磁，一般设计成细长形(使磁心体积小，绕组平均 长度短)。而平面变压器的结构呈宽扁形，厚度小于1cm，散热面积大；此外，平面结构容 易实现绕组交错，从而使漏感减为最小。据报道，现有平面变压器产品的漏感小于0.2%。 传统的“线绕”式变压器按照规范设计，容易实现标

22、准化。但设计高密度电源的平面变压器 或平面电感，就完全不同于传统磁元件的标准设计。例如，平面变压器的散热过程是先以传 导方式将热量送到电源的外壳，再通过散热器以对流方式靠自然冷却或风冷将热量散发。平 面变压器的性能与许多因素有关，如绕组的结构与布置、绕组端部(terminal)、铜片厚度、磁 心结构与几何尺寸等。设计结果希望直流和交流阻抗小，漏减小，同时绕组端部的设计应使 高频场影响为最小。应用宽片状导线可以减少高频下集肤效应和邻近效应的附加损耗。平面 绕组可以用铜箔、绞合铜线、多层印制导线(Printed Wire)，或PCB等。PCB的窗口利用率 较低，仅为0.250.3 (一般窗口利用率

23、为0.4)。空心(Coreless)印制电路板(PCB)变压器，没有磁心，利用印制螺旋形绕组、印制在单面、 双面甚至多层PCB上。其优点是：呈平面形、体积小，损耗小，效率高，制造过程简单， 并可以准确地控制参数。在电源中有两种应用:一是100W以下小功率DC / DC高频(10MHz) 转换器；二是开关晶体管驱动电路中传输信号用的隔离变压器，可以做成两路输出，将两个 次级绕组印制在PCB同一面上，或印制在多层PCB的不同平面上。将多个磁性元件(如变压器和电感或多个电感)集成在一个磁心上，称为集成磁元件 (Intergrated Magnetics,IM)。这样做的目的是可以减少转换器的体积，使

24、各个磁性元件之间 的接线最短，降低磁性元件的损耗。适用于低压大电流情况。Cuk在20世纪70年代末，首 先提出在有隔离的Cuk转换器中(IEEE PESC，1980)将输入电感、输出电感及变压器集成在 一个磁心上，早期称为耦合(Coupled)电感。挠性印制电路厚度为70um，耐弯曲的挠性印制电路厚度为35um。1oz为34.287um，等于 1.38mil。2 PCB线圈设计根据绝缘导线所要求通过的总电流，当总电流为10A以下时，导线每平方毫米的截面面 积可通过5A电流。实际设计中，可以通过近20A,为安全起见，实验中还是采用了较为保 守的5A作为最大设计通过电流。一般假定，仅当趋肤深度小于

25、印刷导线铜箔厚度的50%的 时候，才需要考虑趋肤效应的影响。换句话说，对于铜箔厚度0.038mm (1mil=0.0254mm) 的普通PCB，只有当信号频率高于12MHz时才需要考虑趋肤效应。导线宽度(mm)= 工作电流(A) +走线高度(mm)5A/mm2当工作电流为0.2A时，导线宽度约为1mmPCB 圆形 R=17.6mmr=10.8mmPCB 矩形 b=54mmc=31mmr=0.24mmPCB线路的电感计算：螺旋形线圈的电感公式图13螺旋形线圈(aN )28a +11。式中：a =(r+r) /2， b=r-r r.为螺旋形线圈的外径iro为螺旋形线圈的内径 对于矩形平面PCB线圈

26、，a=0L =巳N2(。+ c)ln业- C ln(c + -Jb2 + c2)- ln(b + xjb2 + c2) 冗r b + cb + c+ 癸丘-1 + 0.447 二 b + c 2 b + cN 线圈的匝数b和c矩形线圈的长和宽a和r矩形线圈截面尺寸a矩形线圈截面的高矩形线圈截面的宽度对于长度为/，走线宽度为w的导线，电感为L = 2l (ln 2- - 0.5 + 0.2235 - )nH ww从公式可以看出，电感L与铜箔的厚度基本无关。同时，设计时尽可能宽的走线对性能的 改善并不明显，不仅不能大幅度的减少电感，若有脉动电压通过线路，还会产生很大的辐射 干扰。由于铜箔的厚度，导

27、线间的匝间影响最低。直径或窗座图14 PCB线路及普通导线电感22&5075 100 1S5 15 176 2。0 5 350 27& 即 0SHE面面耕（制t闸耶序皮伸1唇图15PCB线路温升的MIL-STD-215E标准过孔的设计:为了充分利用PCB板材，减少体积，采用了多层板设计。PCB板上过孔电感计算公式为h4hL = - （1+ ln 丁 ）nH 5d式中，h表示过孔深度，d表示过孔直径，单位为mm。过孔越少越好，多个过孔优于单个过孔，过孔直径越大越好。3 PCB线圈实验验证矩形/正方形线圈和圆形线圈比较表1圆形和方形PCB线圈的参数L电感R电阻Z阻抗圆形PCB997UF1.2Q0.

28、999KQ方形PCB994 UF1.6 Q0.999KQ单层线圈和多层线圈比较0 00950.00900.00650 00800.00750.00700 00650 00600.00550.00500.00450.00400.00350.00300.00250.00200.00150.00100.00050 0000空载f 10 5Q图16负载、频率与初级提供的视在功率三 新型的手机电池无接触充电器研究新型无接触非常适合应用与便携式电话和网络电话等掌上电子产品。无接触 充电器利用一对PCB板绕组来完成电能的无线传输。当两个用铜线绕制的标准 PCB板紧密地按图17平行放置时，两个PCB绕组之间就

29、存在大量的感应耦合磁 感，甚至中间没有磁芯的地方也有。图17 PCB绕组和便携式电话的非接触充电器。（a）PCB绕组结构（b）便携式电话的非 接触充电器图17 （b）所示为新型的便携式电话非接触充电器结构，下面的部分（充电器 的初级绕组）包括初级PCB绕组和相关的电路。放置在电池背部的充电器次级端绕组包括 次级PCB绕组和相应的电池充电和监测电路。这样在两个平行的PCB绕组之间就有感应耦 合，在下部的初级端绕组和电池背部的次级端绕组就能够在没有磁芯的情况下完 成电能的非接触传输。图18所示为非接触充电器的电路简图。初级端包括一个桥式整流器和一个 与初级PCB绕组相连的高频逆变器。与逆变器拓扑结构相连的半桥串联谐振电路 是为了吸收PCB绕组的漏感，同时也是LC谐振回路的一部分。传统的降压变压 器应用于开关和LC谐振回路之间使回路电流降到需要的数值。图18非接触充电器的电路简图次级端包括一个由次级PCB绕组供电的整流器，一个同步开关转换器和控制电 路，这些器件都装在充电器的背部。初级部分单元是在一个开环条件下运行的， 并且需要监测和控制充电电流的所有功能都集成在次级端的电池上。所以，初级 端单元和次级端单元在功能上是完全独立的，因此也就消除了初次级单元之间额 外信息交换的需要。图19