恒压输出型复合旋转式WPT系统设计和优化
中文题目：恒压输出型复合旋转式WPT系统设计和优化
论文题目：Design and Optimization of Rotational Hybrid WPT System with Constant Voltage Output
录用期刊/会议：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (中科院大类二区TOP)
原文DOI：10.1109/JESTPE.2024.3431559
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10605797
录用/见刊时间：2024年7月11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 明 中国石油大学（北京）人工智能学院先进科学与工程计算专业 博23
3） 孙红军 中国石油大学（北京）人工智能学院 智能科学与技术系教师
4） 李 军 中国石油大学（北京）石油工程学院 油气井工程系教师
4） Aiguo Patrick Hu 奥克兰大学 电气与电子工程系教师
摘要:
无线电能传输（WPT）技术为旋转式电气设备供电提供了一种安全可靠的解决方案。对于旋转式WPT系统，耦合和负载变化可能会导致较大的输出电压波动，从而导致供电的不稳定。本研究提出了一种基于优化后的多层盘状线圈和复合拓扑的旋转式WPT系统，为旋转式电气设备供电。磁耦合机构采用多层盘状线圈设计，通过对外直径的优化和铁氧体的利用，大大提高了主耦合系数并降低了交叉耦合干扰。本文提出了一种由S型和T型网络组成的ISOP型复合拓扑，在宽耦合情况下实现近似负载无关的恒压输出。通过仿真优化使得系统效率最大化，并构建了维持恒压输出的线圈最大偏移范围。为了评估该系统的性能，构建了一套恒压输出为100V的试验原型。实验结果表明，在同轴线圈偏移高达70%的情况下，输出电压的最大波动保持在5%之内。当负载在30Ω~150Ω（功率在327.69W~73.15W）范围内时，系统整体评价效率达到90.1%。
背景与动机:
当前，旋转电气设备广泛应用于油气钻井、航空航天等工业领域，电刷和滑环是目前旋转工况下的主要电能传输设备，然而这种传输方式面临着线缆裸露和电火花的风险，可能引起安全问题。此外，长期工作导致的磨损会出现接触不良，导致电力传输不稳定，这也大大降低了旋转供电设备的可靠性。
为了解决传统接触式供电的安全性和稳定性差的问题，提出了无线电能传输（WPT）技术。该技术基于磁耦合谐振的原理，避免了杂乱的线缆，具有传输距离长、安全性高、可靠性高等优点，已经广泛应用于电动汽车、无人机、医疗植入式装置等领域。WPT技术在旋转供电领域的应用，大大提高了旋转电气设备的供电稳定性，降低了设备维护成本。然而，在设计旋转式WPT系统时，如何达到恒定的输出仍然是一个挑战。
鉴于目前的研究问题，本文提出了一种旋转式WPT系统，以实现负载和磁耦合机构的大范围偏移情况下的高效恒压输出。
设计与实现:
基于T型谐振补偿网络构建了如图1所示的ISOP型复合拓扑，并设计了如图2所示的基于多层盘状线圈的磁耦合机构，通过对线圈外直径和增加铁氧体的优化，降低了交叉耦合对复合拓扑的输出的影响。
图1 基于多层盘状线圈和ISOP型复合拓扑的完整WPT系统
图2 多层盘状线圈模型
通过对ISOP型复合拓扑的参数优化设计，提高了系统的平均效率和抗偏移性能。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，电压增益偏移范围∆为5%。通过Simulink仿真，得到系统最优效率对应下的电压增益。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为负载电压UL随线圈分离和负载变化的曲线。本文提出的旋转式WPT系统在极端情况下电压变化范围为13.4%，参照国际标准EN 61000-3-3:2013和中国标准GB/T 12326-2008，该值在要求的±7%的标准限值内。图6为效率变化曲线，整体系统的平均效率为90.1%，在磁耦合机构偏移和负载变化情况下系统仍能保持高效稳定的电力输出。
图5 负载电压UL随线圈分离和负载变化的曲线
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:
本文提出了一种旋转式WPT系统，可以在负载和磁耦合机构的大范围变化下保持CV输出。通过对多层盘线圈的优化设计，得到了较高的主耦合系数和较低的交叉耦合系数的磁耦合机构。基于T型谐振补偿网络，分析了ISOP复合拓扑的输出特性，证明其具有良好的抗偏移性能。然后对整个WPT系统的参数进行了设计和优化，提出了效率最大化的参数设计方法，并给出了最大偏移量的求解方法。实验验证了所提出的旋转WPT系统在不同负载和线圈偏移下的性能。结果表明：磁耦合机构的同轴分离范围为−5~35 mm，输出电压保持在100 V，且波动小于5%；在负载变化范围30 Ω至150 Ω下，所提出的系统总体平均效率为90.1%。
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2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 PES 储能系统与装备技术委员会常务理事、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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