恒壓輸出型復合旋轉式WPT系統設計和優化
中文題目：恒壓輸出型復合旋轉式WPT系統設計和優化
論文題目：Design and Optimization of Rotational Hybrid WPT System with Constant Voltage Output
錄用期刊/會議：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (中科院大類二區TOP)
原文DOI：10.1109/JESTPE.2024.3431559
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10605797
錄用/見刊時間：2024年7月11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 明 中國石油大學（北京）人工智能學院先進科學與工程計算專業 博23
3） 孫紅軍 中國石油大學（北京）人工智能學院 智能科學與技術系教師
4） 李 軍 中國石油大學（北京）石油工程學院 油氣井工程系教師
4） Aiguo Patrick Hu 奧克蘭大學 電氣與電子工程系教師
摘要:
無線電能傳輸（WPT）技術為旋轉式電氣設備供電提供了一種安全可靠的解決方案。對于旋轉式WPT系統，耦合和負載變化可能會導致較大的輸出電壓波動，從而導致供電的不穩定。本研究提出了一種基于優化后的多層盤狀線圈和復合拓撲的旋轉式WPT系統，為旋轉式電氣設備供電。磁耦合機構采用多層盤狀線圈設計，通過對外直徑的優化和鐵氧體的利用，大大提高了主耦合系數并降低了交叉耦合干擾。本文提出了一種由S型和T型網絡組成的ISOP型復合拓撲，在寬耦合情況下實現近似負載無關的恒壓輸出。通過仿真優化使得系統效率最大化，并構建了維持恒壓輸出的線圈最大偏移范圍。為了評估該系統的性能，構建了一套恒壓輸出為100V的試驗原型。實驗結果表明，在同軸線圈偏移高達70%的情況下，輸出電壓的最大波動保持在5%之內。當負載在30Ω~150Ω（功率在327.69W~73.15W）范圍內時，系統整體評價效率達到90.1%。
背景與動機:
當前，旋轉電氣設備廣泛應用于油氣鉆井、航空航天等工業領域，電刷和滑環是目前旋轉工況下的主要電能傳輸設備，然而這種傳輸方式面臨著線纜裸露和電火花的風險，可能引起安全問題。此外，長期工作導致的磨損會出現接觸不良，導致電力傳輸不穩定，這也大大降低了旋轉供電設備的可靠性。
為了解決傳統接觸式供電的安全性和穩定性差的問題，提出了無線電能傳輸（WPT）技術。該技術基于磁耦合諧振的原理，避免了雜亂的線纜，具有傳輸距離長、安全性高、可靠性高等優點，已經廣泛應用于電動汽車、無人機、醫療植入式裝置等領域。WPT技術在旋轉供電領域的應用，大大提高了旋轉電氣設備的供電穩定性，降低了設備維護成本。然而，在設計旋轉式WPT系統時，如何達到恒定的輸出仍然是一個挑戰。
鑒于目前的研究問題，本文提出了一種旋轉式WPT系統，以實現負載和磁耦合機構的大范圍偏移情況下的高效恒壓輸出。
設計與實現:
基于T型諧振補償網絡構建了如圖1所示的ISOP型復合拓撲，并設計了如圖2所示的基于多層盤狀線圈的磁耦合機構，通過對線圈外直徑和增加鐵氧體的優化，降低了交叉耦合對復合拓撲的輸出的影響。
圖1 基于多層盤狀線圈和ISOP型復合拓撲的完整WPT系統
圖2 多層盤狀線圈模型
通過對ISOP型復合拓撲的參數優化設計，提高了系統的平均效率和抗偏移性能。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，電壓增益偏移范圍?為5%。通過Simulink仿真，得到系統最優效率對應下的電壓增益。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為負載電壓UL隨線圈分離和負載變化的曲線。本文提出的旋轉式WPT系統在極端情況下電壓變化范圍為13.4%，參照國際標準EN 61000-3-3:2013和中國標準GB/T 12326-2008，該值在要求的±7%的標準限值內。圖6為效率變化曲線，整體系統的平均效率為90.1%，在磁耦合機構偏移和負載變化情況下系統仍能保持高效穩定的電力輸出。
圖5 負載電壓UL隨線圈分離和負載變化的曲線
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:
本文提出了一種旋轉式WPT系統，可以在負載和磁耦合機構的大范圍變化下保持CV輸出。通過對多層盤線圈的優化設計，得到了較高的主耦合系數和較低的交叉耦合系數的磁耦合機構?；赥型諧振補償網絡，分析了ISOP復合拓撲的輸出特性，證明其具有良好的抗偏移性能。然后對整個WPT系統的參數進行了設計和優化，提出了效率最大化的參數設計方法，并給出了最大偏移量的求解方法。實驗驗證了所提出的旋轉WPT系統在不同負載和線圈偏移下的性能。結果表明：磁耦合機構的同軸分離范圍為?5~35 mm，輸出電壓保持在100 V，且波動小于5%；在負載變化范圍30 Ω至150 Ω下，所提出的系統總體平均效率為90.1%。
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2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 PES 儲能系統與裝備技術委員會常務理事、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。
聯系方式：jili@cup.edu.cn