感應耦合電能傳輸技術（ICPT）以電磁耦合的方式實現供電部分與用電設備的非接觸供電，消除了傳統供電方式的一系列缺點，如導體裸露、機構磨損、接觸電火花等，在各行業都有較高的應用價值。
    多負載ICPT系統是指電能發射部分只有一組，而次級電能拾取部分有多組的ICPT系統。該系統能實現一個供電源對多個用電設備的非接觸供電。如單軌鐵路非接觸供電系統[1-2]、非接觸供電平臺[3]等。隨著科技的發展，多負載ICPT技術有著越來越廣泛的應用。
    目前已有一些對多負載ICPT系統的研究。參考文獻[4]對多負載ICPT系統的電能發射和拾取線圈進行了優化設計，參考文獻[5]中電能發射機構的磁芯對系統的電能傳輸效率和功率的影響進行了研究分析，得出系統傳輸功率的計算方法，參考文獻[6-7]研究了多負載切換的控制方法和不同多負載的識別。這些文獻中，主要是針對系統的傳輸功率進行研究，關于多負載ICPT系統效率的研究卻比較少。而多負載ICPT系統的效率是影響其設計性能的一個重要指標。本文從多負載ICPT系統的等效互感耦合模型出發，針對多負載ICPT系統的傳輸效率進行分析。
1 多負載ICPT系統互感模型
    多負載感應耦合電能傳輸系統主要利用電磁感應原理通過初級線圈和次級線圈之間的電磁耦合來傳輸電能，其原理圖如圖1所示。

    互感模型是一種描述變壓器初級與次級繞組磁場耦合關系的電路模型。該模型使用感應電壓來描述變壓器初級和次級繞組的耦合關系。基于互感模型的諧振電路分析方法，能夠方便快捷地分析多負載ICPT系統輸出效率。
    圖2給出了多負載ICPT系統互感模式的等效電路圖。其中Vp是電網輸入電壓經過整流濾波電路和高頻逆變電路之后的等效電壓，Rp、Rs分別是初級線圈和次級線圈內阻，Lp、Lsi分別是初級線圈和次級線圈繞組電感，jω0MIp是初級電流在次級拾取機構中的感應電壓，jω0MIsi是次級拾取機構中電流在初級發射機構中的反射電壓。R1～Ri是次級拾取機構負載等效電阻。
    為了便于系統參數設計和簡化分析，本文設定所有拾取機構參數相同，即：
    
    由于互感耦合率很低，因此為了提高系統的能量傳輸功率和效率，需要對ICPT系統初級和次級的勵磁電感進行補償。已有研究資料表明，多諧振補償在ICPT系統功率傳輸和提高效率方面比單諧振補償更具有優勢[8]。圖3是四種多諧振補償拓撲結構圖。

    Cp、Cs分別是初級繞組和次級繞組諧振補償電容。
2 系統補償網絡分析
    由圖3可知次級拾取機構串聯電容補償（SS）和并聯電容補償（SP）各自等效阻抗Zsi為：
    
    為降低電路計算復雜度，通常將系統次級拾取機構等效阻抗反射到初級繞組。圖4是單個拾取機構到初級線圈的反射阻抗等效電路圖，Zri是ICPT系統拾取機構到初級線圈的反射等效阻抗。

    由圖4可得初級繞組串聯電容補償（PS）和并聯電容補償（PP）的各自等效總阻抗Zp為：
    
    電路諧振時，整個電路呈電阻性。因此根據諧振條件，可以計算出系統實現多諧振時初級補償電容Cp滿足表1中所示取值。

3 多負載ICPT系統效率分析
    基于前文的分析與計算，得出多負載ICPT系統的效率計算公式（9），由此可以對多負載ICPT系統的效率和負載的關系進行分析。
    
    由式(10)可以看出，ICPT系統的傳輸效率與系統的互感耦合值、系統工作頻率和各個拾取機構的等效負載有關。可以設定f=20 kHz，M=10 μH，Rp=0.5 Ω，Rs=0.2 Ω。通過計算和MATLAB仿真，可以得系統效率與負載的關系曲線圖如圖5所示。

    從圖5可以看出，PSSS補償時，系統采用恒流控制。對于完全相同的負載，在系統的工作頻率、互感值一定的情況下，拾取機構的個數對系統的效率沒有太大影響。負載的阻值較小時，對系統的效率影響較大，但是隨著負載阻值的增大，系統的效率得到提高。同時，負載不同時隨著負載阻值的增加，系統的傳輸效率同樣得以提升。
4 實驗驗證與分析
    為驗證上述關于多負載ICPT系統效率理論研究的正確性，以兩個拾取機構為例，對理論分析部分進行實驗驗證。實驗電路采用PSSS拓撲補償結構的電壓型多負載ICPT系統，拾取機構采用U 型磁芯，磁芯規格以及系統實驗設定參數分別如表2、表3所示，系統控制采用恒流控制。實驗結果如表4所示。

    感應耦合電能傳輸系統的傳輸效率問題是該研究領域的一個熱點。多諧振補償能夠大大提高系統的傳輸效率。多負載ICPT系統中初級補償電容Cp值是一個很重要的參數，選擇合適的Cp值才能保證系統有較高傳輸效率。本文通過對多負載ICPT系統的建模與分析，給出了多諧振時系統的效率計算公式和初級補償電容Cp的選擇方法。并且通過實驗驗證了PSSS補償時的系統效率，證明了文中給出的多負載ICPT系統效率計算的正確性以及補償電容Cp取值方法的正確性，對未來多負載ICPT系統的設計與優化具有一定的指導意義。
參考文獻
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