中文題目：LCL-LLC/S副邊可切換恒流恒壓型電場耦合無線電能傳輸系統

論文題目：Electric-Field Coupled Power Transfer System with Constant Current and Constant Voltage Output Based on Switchable Secondary Side of LCL-LLC/S Structure

錄用期刊/會議：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI國際會議)

原文DOI：10.1007/978-981-97-0873-4_21

原文鏈接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_21

錄用/見刊時間：2024年3月9日

作者列表：

1） 吉   莉 中國石油大學（北京）人工智能學院 電子信息工程系教師

2） 張家琦 中國石油大學（北京）人工智能學院新一代電子信息技術專業 碩22

3） 張江洪 中國石油大學（北京）人工智能學院信息與通信工程專業 碩23

4） 葛富辰 中國石油大學（北京）人工智能學院新一代電子信息技術專業 碩21

摘要:

電場耦合無線電能傳輸（EC-WPT）技術實際應用中，電池類負載要求供電系統在負載變化情況下提供恒流或恒壓輸出以及在兩種輸出模式之間即時切換的功能。本研究提出了一種基于LCL-LLC/S副邊可重構拓撲結構實現恒流/恒壓輸出的電場耦合無線電能傳輸系統，且電池完成充電移除時系統自動進入低功耗狀態。本文首先介紹了系統的基本結構與開關切換策略，搭建了系統的等效模型；之后分析了系統實現恒流/恒壓和負載自適應的原理，并推導了系統參數條件和最佳切換點，給出了系統的參數設計方法；最后搭建仿真模型，初步驗證了本文所提出的EC-WPT系統恒流/恒壓輸出特性及其參數設計方法的可行性和可靠性。 

背景與動機:

在用于石油鉆井開發的旋轉導向設備中，常采用導電滑環的方式從旋轉的鉆桿向非旋轉的外部套管上傳輸電能，為位于套管上的控制測量單元的電池充電，延長控制測量單元在井下的工作時長。然而這種方式的導電滑環在鉆井過程中面臨著旋轉摩擦磨損、密封易失效、滑環受腐蝕等問題，降低了電能傳輸的可靠性，限制了滑環的使用壽命。

電場耦合式無線電能傳輸技術為解決旋轉導向設備電能傳輸的低可靠性問題提供了一條有效的途徑。該技術相較于磁場方式具有更好的抗電磁干擾性能，在井下復雜電磁干擾環境中能夠保持輸出的穩定。然而在設計WPT系統時，系統輸出如何滿足電池先恒流后恒壓的充電需求仍然是一個挑戰。

鑒于目前的研究問題，本文提出了一種LCL-LLC/S副邊可重構EC-WPT系統，以實現系統恒流/恒壓輸出以及輸出模式的切換。

設計與實現:

構建了如圖1所示的LCL-LLC/S副邊可重構EC-WPT系統，并建立不同輸出模式下的等效電路，如圖2和圖3所示。通過分析系統輸出特性并進行開關策略與切換點設計，滿足電池充電對系統輸出特性的需求。

 

圖1 LCL-LLC/S副邊可重構恒流恒壓輸出EC-WPT系統

 

圖2 恒流輸出系統等效電路

 

圖3 恒壓輸出系統等效電路

通過對系統參數優化設計，提高了系統的平均效率，降低元件電壓應力。參數設計流程如圖4所示。

 

圖4 參數設計流程圖 

實驗結果及分析:

本文設計了一套平均功率130W的EC-WPT系統，系統諧振頻率為500kHz。通過Simulink仿真對所提系統進行仿真驗證。圖5和圖6為不同負載下系統輸出電流和輸出電壓變化情況，系統輸出滿足恒流/恒壓的輸出需求。圖7為系統輸出功率與效率與負載曲線，在負載變化情況下系統能夠保持高效穩定輸出。

圖5 輸出電流I_out隨負載R_L變化的曲線

 

圖6 輸出電壓U_out隨負載R_L變化的曲線

 

圖7 輸出功率與效率與負載R_L關系

結論:

本研究提出了一種LCL-LLC/S副邊可重構拓撲EC-WPT系統，利用開關切換實現了負載變化情況下系統恒流或恒壓輸出以及兩種輸出模式之間的轉換，且恒壓輸出模式下系統具有負載自適應性，推導了實現該系統的元件參數條件，給出了系統參數設計方法，最后通過MATLAB/Simulink軟件仿真，實現了1.8A/100V的恒流/恒壓輸出，在負載變化范圍30 Ω至100 Ω下，系統總體平均工作效率約為85%，初步驗證了此系統的可行性與穩定性。

作者簡介:

吉莉，副教授，博士生導師。博士畢業于中國科學院大學，長期致力于無線電能傳輸、能源互聯網及智能物聯網技術相關研究工作，主持2項國家自然科學基金項目、1項國家863課題和1項省部級基金，作為技術負責人主持多項國家863項目、國家科技支撐項目?？萍疾繃业诹渭夹g預測工作能源領域總體組專家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，中國電工技術學會無線電能傳輸專委會委員、中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專委會委員。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》、《Renewable Energy》等期刊上發表SCI/EI期刊論文30余篇，第一作者獲授權/受理發明專利/軟件著作權10余項，編寫中文著作3部。

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