中文題目：基于恒功率輸出的旋轉式WPT系統次級側可重構拓撲設計

論文題目：Reconfigurable Topology Design on the Secondary Side of Rotary WPT Systems for Ensuring Stable Power Transmission over Large Coupling Variation

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_33

原文鏈接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_33

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

3） 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 碩22

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 碩21

摘要:

在旋轉工況下，無線電能傳輸（WPT）技術因其擺脫了電纜的束縛相較于有線電能傳輸具有獨特的優勢。但是實際工作中耦合變化是不可避免的，而且旋轉設備復雜的外部使用環境和高速旋轉的使用場景，會造成耦合結構的振動和偏移，導致旋轉式WPT系統傳輸功率的波動?；诖藛栴}，本文研究了基于恒功率輸出的旋轉式WPT系統次級側可重構拓撲網絡設計。首先設計了一種三層式螺旋線圈結構實現了偏移情況下耦合系數的穩定；其次提出一種次級側可重構拓撲的旋轉式WPT系統，該WPT系統在耦合系數變化較大的情況下能保持穩定的傳輸功率；最后構建恒定功率為200W的實驗樣機，通過實驗進行驗證，實驗結果表明：該WPT系統在耦合線圈偏移15mm的情況下，傳輸功率變化量小于10%，實現了傳輸功率的穩定。此外，開關過程足夠穩定，可以滿足工作要求。

背景與動機:

目前，旋轉電氣設備已經被廣泛應用到油氣鉆探、航天航空等領域。電刷和滑環是當前旋轉工況下有線電能傳輸的主要設備，但是這種方式存在線纜接觸不良、易產生電火花等問題，降低了供電設備的可靠性，影響了實際作業中系統的性能。

為了解決傳統有線電能傳輸可靠性低的問題，提出了基于磁耦合諧振原理的無線電能傳輸（WPT）技術。該技術打破了電能僅能通過線纜傳輸的思維定勢，擺脫了繁雜的線纜束縛，憑借其安全性和便捷性已經被廣泛運用到電動汽車、無人機、植入式醫療設備等領域。旋轉式無線電能傳輸技術的應用，不僅提高了系統的可靠性，而且大大降低了設備的維護成本。然而，在耦合系數變化的情況下實現旋轉式WPT系統恒定功率輸出仍具有困難。

針對目前存在問題，本文提出了一種次級側可重構旋轉式WPT系統，以實現在磁耦合機構的大范圍偏移情況下的恒功率輸出。

設計與實現:

基于T型諧振補償網絡構建了如圖1所示的次級側可重構拓撲結構，并設計了如圖2所示的三層式螺旋線圈耦合結構，實現了耦合結構偏移情況下耦合系數的穩定。

圖1 基于次級側可重構拓撲等效電路圖

 

圖2 三層式螺旋線圈結構模型

通過對次級側可重構拓撲的參數優化設計，提高了系統的抗偏移性能的恒定輸出的能力。參數設計流程如圖3所示。

 

圖3 參數設計流程圖

實驗結果及分析:

本文設計了一套輸出為100V的WPT系統，系統諧振頻率為85kHz，輸出功率偏移范圍?為10%。在初級側全橋逆變器由四個碳化硅mosfet（IMZ65R048M1）構成，在次級側全橋整流器由IDW40G120C5B二極管構成，線圈由0.1mm/1050股的利茲線纏繞制成。

 

圖4 旋轉式WPT系統實驗裝置

圖5為WPT系統拓撲切換時開關電壓/電流和負載電壓的瞬態波形，開關切換時間足夠短可以維持系統的穩定。圖6為系統工作在兩種拓撲下效率曲線，整體系統的平均效率為90.1%，在磁耦合機構偏移情況下系統仍能保持高效穩定的電力輸出。

 

圖5 WPT系統拓撲切換時的瞬態波形

圖6 磁耦合機構軸向偏移情況下完整系統的效率變化曲線

結論:

本文設計了一種旋轉式WPT系統，該系統可從S-S拓撲切換到S-LCC拓撲，以實現恒定的傳輸功率。首先，提出了一種三層螺旋線圈耦合結構，并驗證了其軸向偏移電阻，以提高系統的容錯能力；其次，設計了一種二次側可重構拓撲結構，以實現從S-S工作模式到S-LCC工作模式自由切換的恒定傳輸功率輸出；最后，構建了一種二次側可重構WPT系統，以實現在耦合系數變化時基于恒定功率輸出的傳輸功率。在輸入電壓和頻率恒定的條件下，當耦合系數變化到設定值時，系統可從S-S運行模式切換到S-LCC模式。在切換過程中，負載電壓不會跳變，從而確保了系統的穩定性和安全性。實驗結果表明，本文提出的方法在耦合線圈軸向偏差范圍[-15mm,15mm]的情況下，可以實現傳輸功率的恒定輸出，且偏差小于10%。

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，IEEE PELS 儲能系統與裝備技術委員會常務理事、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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