改进型自激谐振无线电能传输系统

改进型自激谐振无线电能传输系统

王建胜

新疆广电局91627台， 新疆 喀什 843800

摘要：采用无线动力传输(WPT)技术的电动汽车充电系统旨在支持接触损耗、灰尘、机械磨损等维修，因此，国内外专家对电动汽车静态充电时，发射器和接收机构不可避免地会发生偏置，从而导致系数和充电效率的急剧下降，从而提高连接机构的抗偏置性能，保证接收器选择的传动性能，是电动汽车静态WPT系统必须解决的关键问题。

关键词：无线电能传输系统；自激谐振；参数优化；非线性规划；遗传算法

引言

无线功率传输(WPT)技术，结合了电气技术和控制理论，适用于通过磁性、电场、激光、微波等进行无线电力传输。，目前常用的无线充电方式主要是采用磁场传输技术，与磁场传输技术相比，无线通信技术具有以下优点:价格低廉、重量轻、机构周围磁场的可变形状对金属障碍物造成的湍流损失较小，或者金属导线周围的涡流损耗很小，因此，EC-WPT技术的进一步发展和应用也很少。

1能量传输机理

超声式无线传能系统的传输机理较为复杂，目前对其描述的常用方法有等效电路法、有限元法和二端口法等，其中，等效电路法又包括常见的Mason等效电路和KML等效电路等，都可较为直观地计算超声式无线传能系统的传输性能。但目前对系统的传输机理如阻抗匹配、谐振状态等的研究仍不充分，系统的等效电路模型也有待进一步优化，仍然缺少一套完善的描述超声无线传能系统的理论体系。另外，有限元分析也是研究超声换能器特性、系统传输性能的有效方法。若能将各种方法结合，建立更加完善的分析模型，则能为超声式无线传能技术的发展应用奠定有效基础。

2 WPT变换器结构

2.1传统WPT变换器结构

传统WPT系统电路结构其原边电路由多级功率变换电路组成，工频交流电经过整流、功率因数校正和高频逆变后变换为WPT所需的高频交流电。除原边多级功率变换电路外，还包括原边和副边补偿网络、磁耦合器、副边高频整流电路及负载。由于来自电网的电能需要经过多级功率变换才能传递到负载端，从而对WPT系统的效率、成本和体积产生不利影响。近年来，人们开始重视对原边电路的研究，希望通过减少功率变换级数来提高WPT系统的整体性能。

2.2基于OLDD线圈的接收机构

OLDD线圈绕制方案和结构变换方法。其中开关K1、K2用以接收机构的结构变换。当接收机构需要OLDD线圈时，K1和K2的COMi(i=1,2)端点均与NOi端点闭合。此时接收器选择由环形阵列中的线圈驱动的双极型磁力仪，OLED连接区域的磁场是一致的，而用于OLDD线圈的反向串联线圈则使断开区域的感应电脉冲为零，而两个区域的感应电脉冲则向级联方向移动，K1和K2的其中一个端点与相应的端点相连， 当选择机构需要CP线圈时，如果K2的端点与NC2闭合，则左回路将连接，接收器将选择垂直的内磁场；反之，右回路将连接，选定的磁场方向将与外部垂直。

2.3单电容耦合无线电能传输

单电容耦合无线电能传输是电场耦合式无线传能技术的一个重要分支，该系统的电能发射端和接收端仅采用一块金属极板作为电极，耦合机构更加简单灵活。相比于传统电场耦合式无线传能系统，单电容耦合系统在拓扑形式上没有一个完整的电气回路，所以适用于传统电路中的分析方法无法直接应用于单电容耦合系统的建模与分析中。基于采用分布式谐振线圈的单电容耦合系统提出了一种等效电路。将地面视为准导电介质，提出了一种等效电路。但上述的理论模型与实验结果仍存在误差，目前尚没有完整的理论和模型来诠释单电容耦合机构的传输机理，该技术的突破将有利于拓展和促进电场耦合无线电能传输相关理论与技术的进步。

3输入功率因数的测量

额定功率情况下实验平台的输入电流iin和流过电感Lb的电流iLb的波形如图1所示。由图1(a)可以看出电感电流iLb为断续，表明图腾柱无桥整流器工作于断续导通模式。由图1(b)可以看出，输入电流近似为与输入电压相位相同的正弦波形，表明功率因数校正得以实现。不同负载情况下的功率因数可以看出，整个负载变化范围内功率因数始终大于0.97，表明所提出的单级WPT电路具有较好的功率因数校正能力

图1输入电流和电感电流

4仿真实验验证

为验证理论分析的正确性和匹配电路的有效性，本文通过Ｐｓｐｉｃｅ进行仿真实验。仿真实验中。实验电路中，设置高频交流电源振幅为２４Ｖ，内阻为４Ω，频率设为６．３３７ＭＨｚ，与系统固有谐振频率一致。耦合系数Ｋ设为０．０２７，因发射端和接收端采用对称结构，负载电阻为４Ω。输出功率曲线呈“Ｍ”型，两波峰分别位于固有频率两侧，峰值均为３４．６Ｗ；波谷出现在固有频率附近，其值为７．６Ｗ；此时系统已经发生频率分裂。

5结论

对于需要具有不同输出特性常数(恒定电流/恒定压力)的EC-WPT系统的某些电气设备，这意味着输出电压或输出电流与负载分离，并且具有在恒定电流模式和恒压模式之间按需切换的能力。本文基于EC-WPT系统，通过频率切换实现恒压输出，提供了具有恒频输出特性和恒压输出特性的系统参数设计方法，通过工作频率切换实现模式切换，本文还分析了系统对工作频率的敏感性，最后验证了基于频率切换的EC-WPT系统参数化设计方法的输出特性和精度及有效性； 可实现恒压输出具有以下优点:1)无需复杂控制电路即可输出恒流或恒压输出，而无需切换电路拓扑，只需切换工作频率即可实现工作模式与恒压之间的连续切换2)无论是在恒压还是在恒压模式下工作，系统都可以使用spa，这有助于降低响应能力并有效地提高系统效率3)降低系统的补偿组件，提高系统的可靠性。

结束语

本文提出了一种基于双极偶联磁场控制的高阻移WPT系统,分析了DQDD发射机构激励场的分布特征和可变结构OLDD线圈的选择特征,给出了磁偶联机构特征参数与偶联系数之间的作用规律,提出了发射磁场选择结构转换和调节的控制策略,并通过实验验证了系统的可行性和有效性。内置的磁悬浮机构比目前常用的磁悬浮机构具有更强的抗移动性能。该系统的抗移动特性和效率高于现行标准的设置,在电动汽车静态无线充电中具有良好的应用前景。

参考文献

[1]孙淑彬,张波,肖文勋,丘东元,陈艳峰.恒压输出多负载无线电能传输系统分析与设计[J].电源学报,2022,20(04):195-206.

[2]宋哲超,余紫莹,杨军.声载波无线电能传输的自适应负载匹配[J].应用声学,2022,41(02):192-198.

[3]毛雨阳,丁稳房,徐岸非,张智童,秦昱.双边LCC型无线电能传输系统最大功率传输方法[J].扬州大学学报(自然科学版),2021,24(04):26-32.

[4]张智翔,张宣.无线电能传输抗偏移线圈的设计方法[J].电源学报:1-16.

[5]叶静,张建龙,张全鑫,姚宗亮,徐文强.复合储能负载的无线电能传输特性[J].温州大学学报(自然科学版),2021,42(03):49-55.