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效率最高88.2 %！一種多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化方法

效率最高88.2 %！一種多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化方法

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效率最高88.2 %！一種多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化方法

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無線電能傳輸（WPT）技術可以使能量通過氣隙傳輸 ， 而不需要物理接觸 ， 具有安全、快捷及靈活等優勢 ， 被認為是代替電纜充電的最好選擇 ， 已被應用于消費電子、電動汽車、特種機械以及醫療電子等設備的供電 。
在無線電能傳輸技術研究中 ， 針對多線圈并聯傳輸的研究多數基于全橋或半橋拓撲 ， 但均存在控制及外圍電路復雜、橋臂直通等問題 。 相比之下 ， 單管諧振逆變電路具有可靠性高、控制簡單、成本低、易于實現零電壓開通等優點 ， 但存在傳輸功率有限以及系統輸入電流紋波大等不足 。 因此通過并聯多個發射端并通過控制系統輸入電流的角度對紋波進行抑制 ， 同時增大傳輸功率 ， 此舉是克服單管諧振逆變器不足的有效方式 。 在相同傳輸功率下 ， 整個系統的控制方案相對于全橋拓撲更加簡單 。
由于單管諧振逆變器無線電能傳輸系統的特殊性 ， 常規的補償拓撲無法直接應用 。 單管諧振逆變發射端的補償網絡通常為P型結構 。 其中 ， PP型和PS型的諧振頻率由發射線圈自感Lt、接收線圈自感Lr、互感M及負載RL決定 。 但耦合機構發生偏移時將導致互感M發生變化 ， 使系統的諧振頻率發生較大變化 ， 從而影響整個系統的傳輸功率和效率 。 另外 ， P型補償網絡的電壓增益和品質因數都較低 ， 正常工作時的直流輸入電壓高 ， 且系統對高次諧波的濾除效果較差 。
LCC拓撲在正常工作時具有如下優點：①可以調節補償網絡參數使系統恒壓輸出 。 ②系統的諧振頻率僅與線圈自感有關 ， 不受互感和負載變化的影響、系統工作時不易失諧 。 ③作為高階網絡 ， 其品質因數較高 ， 對高次諧波的濾除效果較好 。 另外 ， 其電壓增益可調 ， 對輸入電壓等級要求低 。
針對電動助力車的單管無線電能傳輸系統 ， 重慶理工大學、重慶市能源互聯網工程技術研究中心的楊奕、張葛等學者提出一種P#型LCC-S補償網絡和輸入電流紋波抑制方法 ， 以改善輸入電流波形、降低輸入電流THD及紋波 ， 從而提高系統效率 。
圖1 三線圈無線電能傳輸系統耦合機構
他們首先分析P#型LCC-S補償網絡的工作模態和波形 ， 同時給出參數的計算方法；其次推導了三線圈在非均衡耦合情況下輸入電流與輸入電壓、線圈互感、負載阻抗等參數間的解析關系 ， 利用傅里葉變換分析了輸入電流的構成 ， 并對交流分量進行移相抑制；最后搭建實驗平臺并進行相關實驗驗證 。
圖2 控制電路示意圖
【效率最高88.2 %！一種多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化方法】圖3 實驗樣機
研究人員發現 ， 將諧振電容Ca與開關管并聯可有效改善輸入電流波形 ， 減小輸入電流THD值 ， 額定輸入電壓的情況下系統效率從84.7 %提升至85.9 % ， 提升了1.2 % 。 通過控制多線圈激勵電流移相的方式 ， 可以有效消除輸入電流紋波 ， 使得輸入電流變得穩定 ， 進而提高系統效率 。
此外 ， 在輸入電壓為25 V、額定功率150 W情況下 ， 系統優化前后效率從83.8 %提升至87.6 % ， 提升了3.8 % 。
本工作成果發表在2023年第20期《電工技術學報》 ， 論文標題為“基于多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化” 。 本課題得到國家自然科學基金項目、重慶市科學技術委員會面上項目和重慶市教育委員會青年項目的支持 。

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