高效无线电力传输系统

高效无线电力传输系统

摘要——本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念，该系统在车上装有充电电池，并在特定的地方进行充电。当给车辆充电时，要接近蓄电池充电器进行自动充电，因此，蓄电池充电器的初级变压器与车上的次级变压器之间需要较大的间隙，用以防止碰撞损坏。这样的话就要设法预防由于这个较大距离产生的变压器耦合率的降低，传统的无线电力传输技术由于电力需要通过拾波电圈从电线获得，就要装备一个大尺寸的变压器，并且当距离超过车行驶的长度铜的损失也会加大。先进的系统采用一个高频率的应用软开关方法变极器减小变压器尺寸，变压器间隙每10mm耦合率0.88，并且可达到91%的运行效率。

1.引言

最近，研究者对基于诸如自动引导车辆等运动机械的无线电力传输系统进行了测试，自动引导车辆通常使用带台车的供电系统，但好的金属粒子是通过供电时的摩擦产生的，由于无线电力传输系统不产生摩擦，其严格要求在清洁的室内或医院里，并且因为没有磨损从而该系统有减低维修频率的有点。

传统的带有无线电力传输系统的自动引导车辆需要一条与轨道平行的电线并且通过拾波电圈获得电能，但是因为拾波电圈在结构上与变压器的第一圈相似，所以为了在次级变压器端（车辆端）获得足够的电能，在初级变压器一端（电线端）需要超额的电流，特别是当车辆行驶一段长距离，铜损失不能被忽略，并且由于发生磁通量的大量泄漏，耦合率不足，所以拾波线圈也需要大型的变压器和较大的电能供应设备。

本文提出了基于自动引导车辆的无线电力传输系统的概念，在无线变压器见有10mm间隙的情况下，得到不同变压器结构的仿真和实验结果，从这些结果中给出了一种高耦合率的变压器结构，此外采用了0V变换方式的回荡变极器作为供电设备（蓄电池充电器）的变极器，选取100kHz变换频率以减小变压器尺寸。对充电器和变压器的实验评价显示该提出的系统可以高效率运行。

2.无线电力传输系统的概念

图1.表示基于自动引导车辆的无线电力传输系统的新概念，该系统的充电电池装载在车

上，特定地点进行供电。由于系统有充电电池，能量储运损耗的影响不是很大，并且可以储存再生能源，夜晚经济用电，从而达到节省能源的效果。

这种通过无线电力传输系统向电池供电的技术已经部分应用到电动汽车和家用电器上，这些产品和新系统的不同之处在于初级变压器和次级变压器之间的间隙大小。图1.中的自动引导车辆自动行驶并接近初级变压器，因此为防止变压器的碰撞损坏需留有相对较大的间隙，这样必须预防因该间隙变压器耦合率的降低，参考[6]给出了一个设计变压器芯型和提高耦合率的例子。

3.变压器形状

电磁领域的仿真显示可以通过改变线圈和芯型提高无线电力传输系统的变压器耦合率，通过3-D有限元分析可以计算出耦合率。

A．线圈位置与耦合率的关系

图2.（a）-（c）为U-U型变压器的仿真结果，U-U型变压器由两个U型芯组成，每

个芯有2个腿和一个连接头。仿真条件：（1）2300相对渗透率的铁芯材料；（2）芯直径

20mm。

图2.（a）为线圈绕在U型铁芯连接处的磁通量的2D分布图，初级变压器和次级变压器间的间隙为10mm。通过空载情况下初级变压器产生的磁通量与次级变压器磁通量比例关系计算出耦合率。仿真的耦合率为0.22，大部分的初级变压器磁通量产生了泄漏，这表明几乎没有能量传递到次级变压器上，就是说当变压器通过数百毫米长度磁场10mm的间隙是非常大的。

图2（b）为当线圈缠绕在U-型芯的末端并且彼此分离时的仿真结果，注意线圈的位置，初级线圈在顶部和底部的方向产生磁通量，因此以初级线圈为基准放置次级线圈和次级铁芯，可以轻松产生磁通量，并且泄漏可以减小，10mm间隙仿真的耦合率为0.53。

通常理论的计算感应系数需要用到线圈的圈数，由芯材料决定的磁阻，以及磁场的覆盖区域，但不包括线圈位置参数。如果差距比磁磁场覆盖区域小，线圈位置的影响小，且电感大小的计算非常准确.然而，如果差距较大，从图2（a）与（b）之间的差别可以相当清楚的看出“线圈位置”对电感的影响。

图3（a）和（b）是对线圈布置位置改变时的一种评价；（a）显示了磁芯末端，（b）显示了耦合率的模拟结果。图3（b）表明当为了减少磁通量的泄露而使线圈缠绕在铁芯末端附近时，耦合率会增加。

B.线圈形状与耦合率的关系

图2（c）显示了当考虑线圈形状线圈缠绕在U型铁芯末端时的模拟结果。图2（b）的结果表明磁通量从间隙向四周幅散以及大部分磁通泄露在这部分产生。在图2（c）中，通过线圈缠绕在U型铁芯末端，从变压器中漏出的磁通量会被吸收，且耦合率会提高。当间隙时10mm时，耦合率的模拟量可以提高到0.75.

通常有间隙的变压器为了减少磁通泄露，线圈缠绕尽可能统一；如图2所示在狭小部分缠绕浓密线圈的变压器是不好的示例。但是，在间隙很大的变压器中，在到达第二个变压器之前，磁通量从变压器的初级线圈扩散过程中产生。因此，随着线圈缠绕密集，变压器中漏出的磁通量能够被吸收且耦合率可以获得提高。

图4（a）和（b）是线圈形状改变时的一种评价方法；（a）表明了磁芯末端状态，（b）显示了耦合率的模拟结果。在图4（a）中有三种情况下线圈的评价，且线圈的切

面面积是相同的。图4（b）表明当线圈缠绕更加密集时，耦合率会增加，这来源于吸收的磁通量。

C.考虑磁芯位置布置时，变压器的稳定性评价

图2（d）显示了当密集缠绕的线圈作为新的磁芯型号时的模拟结果，考虑了图2（a）-（c）的结果。在图2（d）中，为了减少漏磁通，磁芯切面面积附近的间隙将被扩大。这同样对电感的增加会有影响，因为磁阻会被明显的减少。这个变压器型号叫做C-I变压器，因为这种型号变压器的初级和次级磁芯像字母“I”和“C”。当间隙为10mm时，耦合率的模拟可以提高到0.83，但测量的结果是0.82。所以，C-I变压器对提高耦合率有很大的影响。

C-I变压器与U-U变压器相比，当磁芯位置重新布置时，忽略了耦合率的稳定性。图5（a）和（b）是间隙宽度改变时变压器密集缠绕线圈的评价结果；（a）显示了变压器末端状态，（b）显示了耦合率的模拟结果。图5（b）表明耦合率按照间隙宽度的比例减少且U-U 变压器对间隙宽度的改变很敏感。20mm间隙宽度的耦合率是0.50，这比10mm间隙宽度的耦合率要小。

另一方面，当磁芯位置重新布置时，C-I变压器对耦合率的稳定性有很大的影响。例如，即使初级变压器引起了如图6（a）所示的向左或向右的重新布置，耦合率很难改变，因为总的间隙范围（20mm）被改变了。即使主要变压器引起了如图6（b）所示的向上或向下的重新布置，耦合率很难改变，因为按照线圈密集缠绕的影响磁通泄露减少很明显。图7显示了当如图6（a）和（b）移动初级变压器时的实验结果。即使几毫米位置的提高，耦合率也会改变1%左右，但稳定特性可以维持。