效率最高88.2 %！一种多线圈阵列的单管无线电能传输电路优化方法
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无线电能传输（WPT）技术可以使能量通过气隙传输 ， 而不需要物理接触 ， 具有安全、快捷及灵活等优势 ， 被认为是代替电缆充电的最好选择 ， 已被应用于消费电子、电动汽车、特种机械以及医疗电子等设备的供电 。
在无线电能传输技术研究中 ， 针对多线圈并联传输的研究多数基于全桥或半桥拓扑 ， 但均存在控制及外围电路复杂、桥臂直通等问题 。 相比之下 ， 单管谐振逆变电路具有可靠性高、控制简单、成本低、易于实现零电压开通等优点 ， 但存在传输功率有限以及系统输入电流纹波大等不足 。 因此通过并联多个发射端并通过控制系统输入电流的角度对纹波进行抑制 ， 同时增大传输功率 ， 此举是克服单管谐振逆变器不足的有效方式 。 在相同传输功率下 ， 整个系统的控制方案相对于全桥拓扑更加简单 。
由于单管谐振逆变器无线电能传输系统的特殊性 ， 常规的补偿拓扑无法直接应用 。 单管谐振逆变发射端的补偿网络通常为P型结构 。 其中 ， PP型和PS型的谐振频率由发射线圈自感Lt、接收线圈自感Lr、互感M及负载RL决定 。 但耦合机构发生偏移时将导致互感M发生变化 ， 使系统的谐振频率发生较大变化 ， 从而影响整个系统的传输功率和效率 。 另外 ， P型补偿网络的电压增益和品质因数都较低 ， 正常工作时的直流输入电压高 ， 且系统对高次谐波的滤除效果较差 。
LCC拓扑在正常工作时具有如下优点：①可以调节补偿网络参数使系统恒压输出 。 ②系统的谐振频率仅与线圈自感有关 ， 不受互感和负载变化的影响、系统工作时不易失谐 。 ③作为高阶网络 ， 其品质因数较高 ， 对高次谐波的滤除效果较好 。 另外 ， 其电压增益可调 ， 对输入电压等级要求低 。
针对电动助力车的单管无线电能传输系统 ， 重庆理工大学、重庆市能源互联网工程技术研究中心的杨奕、张葛等学者提出一种P#型LCC-S补偿网络和输入电流纹波抑制方法 ， 以改善输入电流波形、降低输入电流THD及纹波 ， 从而提高系统效率 。
图1 三线圈无线电能传输系统耦合机构
他们首先分析P#型LCC-S补偿网络的工作模态和波形 ， 同时给出参数的计算方法；其次推导了三线圈在非均衡耦合情况下输入电流与输入电压、线圈互感、负载阻抗等参数间的解析关系 ， 利用傅里叶变换分析了输入电流的构成 ， 并对交流分量进行移相抑制；最后搭建实验平台并进行相关实验验证 。
图2 控制电路示意图
【效率最高88.2 %！一种多线圈阵列的单管无线电能传输电路优化方法】图3 实验样机
研究人员发现 ， 将谐振电容Ca与开关管并联可有效改善输入电流波形 ， 减小输入电流THD值 ， 额定输入电压的情况下系统效率从84.7 %提升至85.9 % ， 提升了1.2 % 。 通过控制多线圈激励电流移相的方式 ， 可以有效消除输入电流纹波 ， 使得输入电流变得稳定 ， 进而提高系统效率 。
此外 ， 在输入电压为25 V、额定功率150 W情况下 ， 系统优化前后效率从83.8 %提升至87.6 % ， 提升了3.8 % 。
本工作成果发表在2023年第20期《电工技术学报》 ， 论文标题为“基于多线圈阵列的单管无线电能传输电路优化” 。 本课题得到国家自然科学基金项目、重庆市科学技术委员会面上项目和重庆市教育委员会青年项目的支持 。
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