中文题目：基于恒功率输出的旋转式WPT系统次级侧可重构拓扑设计

论文题目：Reconfigurable Topology Design on the Secondary Side of Rotary WPT Systems for Ensuring Stable Power Transmission over Large Coupling Variation

录用期刊/会议：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI国际会议)

原文DOI：10.1007/978-981-97-0873-4_33

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

录用/见刊时间：2024年3月9日

作者列表：

1） 吉   莉 中国石油大学（北京）人工智能学院 电子信息工程系教师

2） 张江洪 中国石油大学（北京）人工智能学院 信息与通信工程专业 硕23

3） 张家琦 中国石油大学（北京）人工智能学院 新一代电子信息技术 硕22

4） 葛富辰 中国石油大学（北京）人工智能学院 新一代电子信息技术 硕21

摘要:

在旋转工况下，无线电能传输（WPT）技术因其摆脱了电缆的束缚相较于有线电能传输具有独特的优势。但是实际工作中耦合变化是不可避免的，而且旋转设备复杂的外部使用环境和高速旋转的使用场景，会造成耦合结构的振动和偏移，导致旋转式WPT系统传输功率的波动。基于此问题，本文研究了基于恒功率输出的旋转式WPT系统次级侧可重构拓扑网络设计。首先设计了一种三层式螺旋线圈结构实现了偏移情况下耦合系数的稳定；其次提出一种次级侧可重构拓扑的旋转式WPT系统，该WPT系统在耦合系数变化较大的情况下能保持稳定的传输功率；最后构建恒定功率为200W的实验样机，通过实验进行验证，实验结果表明：该WPT系统在耦合线圈偏移15mm的情况下，传输功率变化量小于10%，实现了传输功率的稳定。此外，开关过程足够稳定，可以满足工作要求。

背景与动机:

目前，旋转电气设备已经被广泛应用到油气钻探、航天航空等领域。电刷和滑环是当前旋转工况下有线电能传输的主要设备，但是这种方式存在线缆接触不良、易产生电火花等问题，降低了供电设备的可靠性，影响了实际作业中系统的性能。

为了解决传统有线电能传输可靠性低的问题，提出了基于磁耦合谐振原理的无线电能传输（WPT）技术。该技术打破了电能仅能通过线缆传输的思维定势，摆脱了繁杂的线缆束缚，凭借其安全性和便捷性已经被广泛运用到电动汽车、无人机、植入式医疗设备等领域。旋转式无线电能传输技术的应用，不仅提高了系统的可靠性，而且大大降低了设备的维护成本。然而，在耦合系数变化的情况下实现旋转式WPT系统恒定功率输出仍具有困难。

针对目前存在问题，本文提出了一种次级侧可重构旋转式WPT系统，以实现在磁耦合机构的大范围偏移情况下的恒功率输出。

设计与实现:

基于T型谐振补偿网络构建了如图1所示的次级侧可重构拓扑结构，并设计了如图2所示的三层式螺旋线圈耦合结构，实现了耦合结构偏移情况下耦合系数的稳定。

图1 基于次级侧可重构拓扑等效电路图

 

图2 三层式螺旋线圈结构模型

通过对次级侧可重构拓扑的参数优化设计，提高了系统的抗偏移性能的恒定输出的能力。参数设计流程如图3所示。

 

图3 参数设计流程图

实验结果及分析:

本文设计了一套输出为100V的WPT系统，系统谐振频率为85kHz，输出功率偏移范围∆为10%。在初级侧全桥逆变器由四个碳化硅mosfet（IMZ65R048M1）构成，在次级侧全桥整流器由IDW40G120C5B二极管构成，线圈由0.1mm/1050股的利兹线缠绕制成。

 

图4 旋转式WPT系统实验装置

图5为WPT系统拓扑切换时开关电压/电流和负载电压的瞬态波形，开关切换时间足够短可以维持系统的稳定。图6为系统工作在两种拓扑下效率曲线，整体系统的平均效率为90.1%，在磁耦合机构偏移情况下系统仍能保持高效稳定的电力输出。

 

图5 WPT系统拓扑切换时的瞬态波形

图6 磁耦合机构轴向偏移情况下完整系统的效率变化曲线

结论:

本文设计了一种旋转式WPT系统，该系统可从S-S拓扑切换到S-LCC拓扑，以实现恒定的传输功率。首先，提出了一种三层螺旋线圈耦合结构，并验证了其轴向偏移电阻，以提高系统的容错能力；其次，设计了一种二次侧可重构拓扑结构，以实现从S-S工作模式到S-LCC工作模式自由切换的恒定传输功率输出；最后，构建了一种二次侧可重构WPT系统，以实现在耦合系数变化时基于恒定功率输出的传输功率。在输入电压和频率恒定的条件下，当耦合系数变化到设定值时，系统可从S-S运行模式切换到S-LCC模式。在切换过程中，负载电压不会跳变，从而确保了系统的稳定性和安全性。实验结果表明，本文提出的方法在耦合线圈轴向偏差范围[-15mm,15mm]的情况下，可以实现传输功率的恒定输出，且偏差小于10%。

作者简介:

吉莉，副教授，博士生导师。博士毕业于中国科学院大学，长期致力于无线电能传输、能源互联网及智能物联网技术相关研究工作，主持2项国家自然科学基金项目、1项国家863课题和1项省部级基金，作为技术负责人主持多项国家863项目、国家科技支撑项目。科技部国家第六次技术预测工作能源领域总体组专家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，IEEE PELS 储能系统与装备技术委员会常务理事、中国电工技术学会无线电能传输专委会委员、中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会委员。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》等期刊上发表SCI/EI期刊论文30余篇，第一作者获授权/受理发明专利/软件著作权10余项，编写中文著作3部。

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