感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)（ICPT）以電磁耦合的方式實現(xiàn)供電部分與用電設(shè)備的非接觸供電，消除了傳統(tǒng)供電方式的一系列缺點,，如導(dǎo)體裸露,、機(jī)構(gòu)磨損、接觸電火花等,，在各行業(yè)都有較高的應(yīng)用價值,。
    多負(fù)載ICPT系統(tǒng)是指電能發(fā)射部分只有一組，而次級電能拾取部分有多組的ICPT系統(tǒng),。該系統(tǒng)能實現(xiàn)一個供電源對多個用電設(shè)備的非接觸供電,。如單軌鐵路非接觸供電系統(tǒng)[1-2]、非接觸供電平臺[3]等,。隨著科技的發(fā)展,，多負(fù)載ICPT技術(shù)有著越來越廣泛的應(yīng)用。
    目前已有一些對多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的研究,。參考文獻(xiàn)[4]對多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的電能發(fā)射和拾取線圈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,，參考文獻(xiàn)[5]中電能發(fā)射機(jī)構(gòu)的磁芯對系統(tǒng)的電能傳輸效率和功率的影響進(jìn)行了研究分析，得出系統(tǒng)傳輸功率的計算方法,，參考文獻(xiàn)[6-7]研究了多負(fù)載切換的控制方法和不同多負(fù)載的識別,。這些文獻(xiàn)中，主要是針對系統(tǒng)的傳輸功率進(jìn)行研究,，關(guān)于多負(fù)載ICPT系統(tǒng)效率的研究卻比較少,。而多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的效率是影響其設(shè)計性能的一個重要指標(biāo)。本文從多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的等效互感耦合模型出發(fā),，針對多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的傳輸效率進(jìn)行分析,。
1 多負(fù)載ICPT系統(tǒng)互感模型
    多負(fù)載感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)主要利用電磁感應(yīng)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(guān)系的電路模型,。該模型使用感應(yīng)電壓來描述變壓器初級和次級繞組的耦合關(guān)系?；诨ジ心Ｐ偷闹C振電路分析方法,，能夠方便快捷地分析多負(fù)載ICPT系統(tǒng)輸出效率。
    圖2給出了多負(fù)載ICPT系統(tǒng)互感模式的等效電路圖,。其中Vp是電網(wǎng)輸入電壓經(jīng)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(nèi)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(jī)構(gòu)中的感應(yīng)電壓，jω0MIsi是次級拾取機(jī)構(gòu)中電流在初級發(fā)射機(jī)構(gòu)中的反射電壓,。R1～Ri是次級拾取機(jī)構(gòu)負(fù)載等效電阻,。
    為了便于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和簡化分析，本文設(shè)定所有拾取機(jī)構(gòu)參數(shù)相同,，即：
    
    由于互感耦合率很低,，因此為了提高系統(tǒng)的能量傳輸功率和效率，需要對ICPT系統(tǒng)初級和次級的勵磁電感進(jìn)行補(bǔ)償,。已有研究資料表明,，多諧振補(bǔ)償在ICPT系統(tǒng)功率傳輸和提高效率方面比單諧振補(bǔ)償更具有優(yōu)勢[8]。圖3是四種多諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,。

    Cp,、Cs分別是初級繞組和次級繞組諧振補(bǔ)償電容。
2 系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析
    由圖3可知次級拾取機(jī)構(gòu)串聯(lián)電容補(bǔ)償（SS）和并聯(lián)電容補(bǔ)償（SP）各自等效阻抗Zsi為：
    
    為降低電路計算復(fù)雜度,，通常將系統(tǒng)次級拾取機(jī)構(gòu)等效阻抗反射到初級繞組,。圖4是單個拾取機(jī)構(gòu)到初級線圈的反射阻抗等效電路圖，Zri是ICPT系統(tǒng)拾取機(jī)構(gòu)到初級線圈的反射等效阻抗,。

    由圖4可得初級繞組串聯(lián)電容補(bǔ)償（PS）和并聯(lián)電容補(bǔ)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(jù)諧振條件,，可以計算出系統(tǒng)實現(xiàn)多諧振時初級補(bǔ)償電容Cp滿足表1中所示取值,。

3 多負(fù)載ICPT系統(tǒng)效率分析
    基于前文的分析與計算，得出多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的效率計算公式（9）,，由此可以對多負(fù)載ICPT系統(tǒng)的效率和負(fù)載的關(guān)系進(jìn)行分析,。
    
    由式(10)可以看出，ICPT系統(tǒng)的傳輸效率與系統(tǒng)的互感耦合值,、系統(tǒng)工作頻率和各個拾取機(jī)構(gòu)的等效負(fù)載有關(guān),?？梢栽O(shè)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(tǒng)效率與負(fù)載的關(guān)系曲線圖如圖5所示,。

    從圖5可以看出,，PSSS補(bǔ)償時，系統(tǒng)采用恒流控制,。對于完全相同的負(fù)載,，在系統(tǒng)的工作頻率,、互感值一定的情況下，拾取機(jī)構(gòu)的個數(shù)對系統(tǒng)的效率沒有太大影響,。負(fù)載的阻值較小時,，對系統(tǒng)的效率影響較大，但是隨著負(fù)載阻值的增大,，系統(tǒng)的效率得到提高,。同時，負(fù)載不同時隨著負(fù)載阻值的增加,，系統(tǒng)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(guān)于多負(fù)載ICPT系統(tǒng)效率理論研究的正確性，以兩個拾取機(jī)構(gòu)為例,，對理論分析部分進(jìn)行實驗驗證,。實驗電路采用PSSS拓?fù)溲a(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓型多負(fù)載ICPT系統(tǒng)，拾取機(jī)構(gòu)采用U 型磁芯,，磁芯規(guī)格以及系統(tǒng)實驗設(shè)定參數(shù)分別如表2,、表3所示，系統(tǒng)控制采用恒流控制,。實驗結(jié)果如表4所示,。

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