科研動(dòng)態(tài)
LCL-LLC/S副邊可切換恒流恒壓型電場(chǎng)耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)
中文題目：LCL-LLC/S副邊可切換恒流恒壓型電場(chǎng)耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)
論文題目：Electric-Field Coupled Power Transfer System with Constant Current and Constant Voltage Output Based on Switchable Secondary Side of LCL-LLC/S Structure
錄用期刊/會(huì)議：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI國(guó)際會(huì)議)
原文DOI：10.1007/978-981-97-0873-4_21
原文鏈接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_21
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年3月9日
作者列表：
1） 吉 莉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
2） 張家琦 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院新一代電子信息技術(shù)專(zhuān)業(yè) 碩22
3） 張江洪 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院信息與通信工程專(zhuān)業(yè) 碩23
4） 葛富辰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院新一代電子信息技術(shù)專(zhuān)業(yè) 碩21
摘要:
電場(chǎng)耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸（EC-WPT）技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，電池類(lèi)負(fù)載要求供電系統(tǒng)在負(fù)載變化情況下提供恒流或恒壓輸出以及在兩種輸出模式之間即時(shí)切換的功能。本研究提出了一種基于LCL-LLC/S副邊可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓輸出的電場(chǎng)耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，且電池完成充電移除時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。本文首先介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與開(kāi)關(guān)切換策略，搭建了系統(tǒng)的等效模型；之后分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓和負(fù)載自適應(yīng)的原理，并推導(dǎo)了系統(tǒng)參數(shù)條件和最佳切換點(diǎn)，給出了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；最后搭建仿真模型，初步驗(yàn)證了本文所提出的EC-WPT系統(tǒng)恒流/恒壓輸出特性及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可行性和可靠性。
背景與動(dòng)機(jī):
在用于石油鉆井開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備中，常采用導(dǎo)電滑環(huán)的方式從旋轉(zhuǎn)的鉆桿向非旋轉(zhuǎn)的外部套管上傳輸電能，為位于套管上的控制測(cè)量單元的電池充電，延長(zhǎng)控制測(cè)量單元在井下的工作時(shí)長(zhǎng)。然而這種方式的導(dǎo)電滑環(huán)在鉆井過(guò)程中面臨著旋轉(zhuǎn)摩擦磨損、密封易失效、滑環(huán)受腐蝕等問(wèn)題，降低了電能傳輸?shù)目煽啃?，限制了滑環(huán)的使用壽命。
電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)為解決旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備電能傳輸?shù)牡涂煽啃詥?wèn)題提供了一條有效的途徑。該技術(shù)相較于磁場(chǎng)方式具有更好的抗電磁干擾性能，在井下復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中能夠保持輸出的穩(wěn)定。然而在設(shè)計(jì)WPT系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出如何滿(mǎn)足電池先恒流后恒壓的充電需求仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
鑒于目前的研究問(wèn)題，本文提出了一種LCL-LLC/S副邊可重構(gòu)EC-WPT系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒流/恒壓輸出以及輸出模式的切換。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
構(gòu)建了如圖1所示的LCL-LLC/S副邊可重構(gòu)EC-WPT系統(tǒng)，并建立不同輸出模式下的等效電路，如圖2和圖3所示。通過(guò)分析系統(tǒng)輸出特性并進(jìn)行開(kāi)關(guān)策略與切換點(diǎn)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足電池充電對(duì)系統(tǒng)輸出特性的需求。
圖1 LCL-LLC/S副邊可重構(gòu)恒流恒壓輸出EC-WPT系統(tǒng)
圖2 恒流輸出系統(tǒng)等效電路
圖3 恒壓輸出系統(tǒng)等效電路
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的平均效率，降低元件電壓應(yīng)力。參數(shù)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
本文設(shè)計(jì)了一套平均功率130W的EC-WPT系統(tǒng)，系統(tǒng)諧振頻率為500kHz。通過(guò)Simulink仿真對(duì)所提系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖5和圖6為不同負(fù)載下系統(tǒng)輸出電流和輸出電壓變化情況，系統(tǒng)輸出滿(mǎn)足恒流/恒壓的輸出需求。圖7為系統(tǒng)輸出功率與效率與負(fù)載曲線(xiàn)，在負(fù)載變化情況下系統(tǒng)能夠保持高效穩(wěn)定輸出。
圖5 輸出電流Iout隨負(fù)載RL變化的曲線(xiàn)
圖6 輸出電壓Uout隨負(fù)載RL變化的曲線(xiàn)
圖7 輸出功率與效率與負(fù)載RL關(guān)系
結(jié)論:
本研究提出了一種LCL-LLC/S副邊可重構(gòu)拓?fù)銭C-WPT系統(tǒng)，利用開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)了負(fù)載變化情況下系統(tǒng)恒流或恒壓輸出以及兩種輸出模式之間的轉(zhuǎn)換，且恒壓輸出模式下系統(tǒng)具有負(fù)載自適應(yīng)性，推導(dǎo)了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的元件參數(shù)條件，給出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)MATLAB/Simulink軟件仿真，實(shí)現(xiàn)了1.8A/100V的恒流/恒壓輸出，在負(fù)載變化范圍30 Ω至100 Ω下，系統(tǒng)總體平均工作效率約為85%，初步驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。
作者簡(jiǎn)介:
吉莉，副教授，博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，長(zhǎng)期致力于無(wú)線(xiàn)電能傳輸、能源互聯(lián)網(wǎng)及智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究工作，主持2項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、1項(xiàng)國(guó)家863課題和1項(xiàng)省部級(jí)基金，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人主持多項(xiàng)國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目?？萍疾繃?guó)家第六次技術(shù)預(yù)測(cè)工作能源領(lǐng)域總體組專(zhuān)家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸專(zhuān)委會(huì)委員、中國(guó)電源學(xué)會(huì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及裝置專(zhuān)委會(huì)委員。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》等期刊上發(fā)表SCI/EI期刊論文30余篇，第一作者獲授權(quán)/受理發(fā)明專(zhuān)利/軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，編寫(xiě)中文著作3部。
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