科研動(dòng)態(tài)
一種恒流/恒壓輸出自切換的電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)
論文題目：一種恒流/恒壓輸出自切換的電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)
錄用期刊/會(huì)議：電工技術(shù)學(xué)報(bào) (EI中文期刊)
原文DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.242269
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2025年3月24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
摘要:
針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備使用電場(chǎng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸（CPT）技術(shù)為電池負(fù)載供電的應(yīng)用場(chǎng)景，本文提出一種恒流/恒壓自切換的CPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需任何額外的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的從恒流輸出到恒壓輸出的切換，同時(shí)系統(tǒng)在兩種輸出模式下均工作于零相位角（ZPA）狀態(tài)。本文首先給出恒流/恒壓自切換CPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立耦合結(jié)構(gòu)等效模型，并對(duì)耦合結(jié)構(gòu)模型和物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；然后，詳細(xì)分析系統(tǒng)恒流/恒壓的輸出特性和工作原理；最后搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證所提方法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效性，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了1.5A的恒流輸出和60V的恒壓輸出，最高效率為90%。
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)CPT系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出需滿(mǎn)足電池先恒流后恒壓的充電需求，當(dāng)前常采用的頻率切換或開(kāi)關(guān)切換的方法控制輸出模式，這些方法都依賴(lài)于精準(zhǔn)的負(fù)載電壓檢測(cè)與主動(dòng)控制，可靠性較差。
鑒于目前的研究問(wèn)題，本文提出了一種恒流/恒壓輸出自切換的CPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)隨著電池等效負(fù)載的升高從恒流輸出模式自動(dòng)過(guò)渡至恒壓輸出模式，無(wú)需任何額外的控制方法，具有高魯棒性。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
構(gòu)建了如圖1所示的恒流/恒壓輸出自切換的CPT系統(tǒng)，建立了圖2所示的單發(fā)射雙接收型電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)受控電壓源等效模型，并設(shè)計(jì)了圖3所示的副邊解耦型電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)接收極板圓心角的參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了副邊兩組網(wǎng)絡(luò)的相互解耦。
圖1 恒流/恒壓輸出自切換CPT系統(tǒng)
圖2單發(fā)射雙接收結(jié)構(gòu)受控電壓源等效模型
圖3副邊解耦型電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
本文按照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)搭建了一套CPT系統(tǒng)，如圖4所示，系統(tǒng)諧振頻率為1MHz。在原邊全橋逆變器由四個(gè)碳化硅mosfet（IMZ65R048M1）構(gòu)成，副邊全橋整流器由IDW40G120C5B二極管構(gòu)成。
圖4 恒流/恒壓輸出自切換CPT系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)裝置
圖5為不同負(fù)載下系統(tǒng)輸出電流和輸出電壓變化情況，隨負(fù)載增加，系統(tǒng)輸出從恒流模式逐漸過(guò)渡至恒壓模式。圖6為系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率與負(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 輸出電壓和輸出電流隨負(fù)載變化的曲線(xiàn)
圖6 輸出功率和傳輸效率隨負(fù)載變化曲線(xiàn)
結(jié)論:
本文提出了一種應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備中電池充電場(chǎng)景的CPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單輸入雙輸出的電路結(jié)構(gòu)，無(wú)需額外的控制方法和相應(yīng)電路即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出模式切換，簡(jiǎn)化了控制方案，提高了系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)該系統(tǒng)，本文首先提出了單發(fā)射雙接收電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)的受控電壓源等效模型，大大簡(jiǎn)化了耦合結(jié)構(gòu)補(bǔ)償分析。其次，針對(duì)單發(fā)射雙接收的電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)工況應(yīng)用的副邊解耦型電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)物理參數(shù)設(shè)計(jì)的方法消除了兩組接收極板間的互耦合。然后，本文應(yīng)用所提出的耦合結(jié)構(gòu)等效模型對(duì)該系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行了理論分析。最后搭建了實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠隨負(fù)載值增加從恒流輸出模式自動(dòng)過(guò)渡至恒壓輸出模式，系統(tǒng)傳輸功率為86W時(shí)，最大效率達(dá)到90%。
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)期從事無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)及智能物聯(lián)網(wǎng)等相關(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2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，IEEE PES儲(chǔ)能系統(tǒng)與裝備專(zhuān)委會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)電源學(xué)會(huì)女科學(xué)家工作委員會(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?！禝ET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，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，獲省部級(jí)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
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