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。IV.高效无限电力传输系统的结构A.系统结构图8显示了实验模型。由充电电池，无线变压器和蓄电池组组成。在充电电池中，采用了可变电压的自动变压器，以便直流电压变换器可以设置为250V。转换频率是100kHz，以使无线变压器小型化。而且，变换器用0v转换，典型的软转换方法，是为了减少转换损失引起高的频率。C-I变压器是用来评价无线电力传输系统的。接下来解释了实验中所用的C-I变压器。在C-I变压器的次级端，整流器和谐振电容器Cτ（0.033μF）相连。当整流器使用直流电源时，与144v和6.5Ah的镍-氢蓄电池连接。电容（1μF）移动的微小波动与电池平行连接。图9显示了和图8所示的等效电路。在图9中，C-I变压器被当做是等效的T电路。在闭路和开路电路实验中，通过C-I变压器能够测出泄漏电感l1,l2和磁化电感L的大小。在变压器器中的泄漏电感l1,l2远小于磁化电感L。因此，在验证基于变压器和谐振电容的谐振电路时，电感L可忽略不计。即，电路的谐振频率与泄漏电感的和（l1+l2）与谐振电容有关，给出下式：（1）对于频率的谐振值，由于电池充电器与电池之间的阻抗小，通过使fr近似于变极器换向的频率，可使充电器高效。在此系统中，谐振电容Cr选为0.033Uf,由方程（1）可得fr可设为100KHz.B.C-I变压器图10，11分别显示出C-I变压器及照片的尺寸。C-I变压器使用铁素体作为主要的材料，通过将各块铁板切割粘合而成。在焊接面，由于极微小的间隙的存在，他的质量比浇注出来的差，但这一微小间隙比主变压器与次变压器之间的间隙小很多（10mm）。因此，由于磁化电阻由粘合面的间隙组成，它的值很小，所以变压器的质量基本不受影响。变压器的线圈由30圈的绕组环绕。由于变极器换向频率为100kHz,在线圈表面产生热量及其损失。因此，使用胶合线（）。图11中的C-I变压器耦合率0.88。如图6，改变条件，水平和垂直方向移动主变压器，耦合率的变化率在1%或以下。5.实验结果A.变压器的能量传输说明图12显示变极器电压v0,变极器输出电流i1和电池输入电流ib的波形。在此实验条件下，剩余电池容量为50%。变极器频率大约为100kHz。变极器输出电流i1的最大值为21A。即，系统满足动力迟滞条件，电压换向操作性能好。流入电池的输入电流的有效值为14A，波动率为200kHz.此波动由于矫正产生，可通过波动允许值使它忽略不计。在此，电池电压增加了164V，输到电池的电流功率为2.5KW.系统的效率可通过分别与直流换向器和电池相连测得。由此，效率为91%。损失的主要因素为线圈的铜损失。但是，由于其90%或更高的效率，此系统能高效运行。SOC的改变量在45-60%，可得效率的该变量只有2%，几乎不受影响。B.谐振电容的电压值图13表示出试验中谐振电容的电压vc的波动量。电压的最大值为940V.正如其他谐振的反向系统一样，由于谐振峰值Q值很大，所以在谐振电容末端会形成高压。在此情况下，谐振电容电压vc有：（2）此处，i2表示流过次级变压器的电流。在方程（1）中，谐振频率fr与谐振电容Cr和泄漏电感之和（l1+l2）成反比。因此，当谐振频率fr确定时，泄漏电感之和（l1+l2）越大，vc也越大。由于谐振电容增大伴随着电压率的增大，通过使用泄漏电感很小的变压器（如C-I变压器）将使系统最小化。6．结论在此论文中，提出了无线电力传输系统这个新概念，并完成了基本实验。由论文中的仿真和实验得出以下结论：通过对无线电力传输系统的新变压器结构的检验，发现当间隙为10mm时。C-I变压器的耦合率为0.88。当移动C-I变压器的中心位置，将对它的稳定性产生很大影响。由使用一个谐振变极器的电池充电器，C-I变压器，镍-氢电池组成的系统得到了优化。此系统能产生2.5KW的功率，效率90%或以上。本论文中提出的无线电力传输系统比传统的系统小一倍以上。