科研動(dòng)態(tài)
基于恒功率輸出的旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
中文題目：基于恒功率輸出的旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
論文題目：Reconfigurable Topology Design on the Secondary Side of Rotary WPT Systems for Ensuring Stable Power Transmission over Large Coupling Variation
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_33
原文鏈接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_33
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
3） 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) 碩22
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) 碩21
摘要:
在旋轉(zhuǎn)工況下，無(wú)線(xiàn)電能傳輸（WPT）技術(shù)因其擺脫了電纜的束縛相較于有線(xiàn)電能傳輸具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是實(shí)際工作中耦合變化是不可避免的，而且旋轉(zhuǎn)設(shè)備復(fù)雜的外部使用環(huán)境和高速旋轉(zhuǎn)的使用場(chǎng)景，會(huì)造成耦合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和偏移，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)傳輸功率的波動(dòng)?；诖藛?wèn)題，本文研究了基于恒功率輸出的旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)了一種三層式螺旋線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了偏移情況下耦合系數(shù)的穩(wěn)定；其次提出一種次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)涞男D(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，該WPT系統(tǒng)在耦合系數(shù)變化較大的情況下能保持穩(wěn)定的傳輸功率；最后構(gòu)建恒定功率為200W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該WPT系統(tǒng)在耦合線(xiàn)圈偏移15mm的情況下，傳輸功率變化量小于10%，實(shí)現(xiàn)了傳輸功率的穩(wěn)定。此外，開(kāi)關(guān)過(guò)程足夠穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足工作要求。
背景與動(dòng)機(jī):
目前，旋轉(zhuǎn)電氣設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到油氣鉆探、航天航空等領(lǐng)域。電刷和滑環(huán)是當(dāng)前旋轉(zhuǎn)工況下有線(xiàn)電能傳輸?shù)闹饕O(shè)備，但是這種方式存在線(xiàn)纜接觸不良、易產(chǎn)生電火花等問(wèn)題，降低了供電設(shè)備的可靠性，影響了實(shí)際作業(yè)中系統(tǒng)的性能。
為了解決傳統(tǒng)有線(xiàn)電能傳輸可靠性低的問(wèn)題，提出了基于磁耦合諧振原理的無(wú)線(xiàn)電能傳輸（WPT）技術(shù)。該技術(shù)打破了電能僅能通過(guò)線(xiàn)纜傳輸?shù)乃季S定勢(shì)，擺脫了繁雜的線(xiàn)纜束縛，憑借其安全性和便捷性已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，而且大大降低了設(shè)備的維護(hù)成本。然而，在耦合系數(shù)變化的情況下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)恒定功率輸出仍具有困難。
針對(duì)目前存在問(wèn)題，本文提出了一種次級(jí)側(cè)可重構(gòu)旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在磁耦合機(jī)構(gòu)的大范圍偏移情況下的恒功率輸出。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
基于T型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了如圖1所示的次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了如圖2所示的三層式螺旋線(xiàn)圈耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了耦合結(jié)構(gòu)偏移情況下耦合系數(shù)的穩(wěn)定。
圖1 基于次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)涞刃щ娐穲D
圖2 三層式螺旋線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)模型
通過(guò)對(duì)次級(jí)側(cè)可重構(gòu)拓?fù)涞膮?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的抗偏移性能的恒定輸出的能力。參數(shù)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
圖3 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)了一套輸出為100V的WPT系統(tǒng)，系統(tǒng)諧振頻率為85kHz，輸出功率偏移范圍?為10%。在初級(jí)側(cè)全橋逆變器由四個(gè)碳化硅mosfet（IMZ65R048M1）構(gòu)成，在次級(jí)側(cè)全橋整流器由IDW40G120C5B二極管構(gòu)成，線(xiàn)圈由0.1mm/1050股的利茲線(xiàn)纏繞制成。
圖4 旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置
圖5為WPT系統(tǒng)拓?fù)淝袚Q時(shí)開(kāi)關(guān)電壓/電流和負(fù)載電壓的瞬態(tài)波形，開(kāi)關(guān)切換時(shí)間足夠短可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。圖6為系統(tǒng)工作在兩種拓?fù)湎滦是€(xiàn)，整體系統(tǒng)的平均效率為90.1%，在磁耦合機(jī)構(gòu)偏移情況下系統(tǒng)仍能保持高效穩(wěn)定的電力輸出。
圖5 WPT系統(tǒng)拓?fù)淝袚Q時(shí)的瞬態(tài)波形
圖6 磁耦合機(jī)構(gòu)軸向偏移情況下完整系統(tǒng)的效率變化曲線(xiàn)
結(jié)論:
本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可從S-S拓?fù)淝袚Q到S-LCC拓?fù)洌詫?shí)現(xiàn)恒定的傳輸功率。首先，提出了一種三層螺旋線(xiàn)圈耦合結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了其軸向偏移電阻，以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力；其次，設(shè)計(jì)了一種二次側(cè)可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)從S-S工作模式到S-LCC工作模式自由切換的恒定傳輸功率輸出；最后，構(gòu)建了一種二次側(cè)可重構(gòu)WPT系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在耦合系數(shù)變化時(shí)基于恒定功率輸出的傳輸功率。在輸入電壓和頻率恒定的條件下，當(dāng)耦合系數(shù)變化到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)可從S-S運(yùn)行模式切換到S-LCC模式。在切換過(guò)程中，負(fù)載電壓不會(huì)跳變，從而確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法在耦合線(xiàn)圈軸向偏差范圍[-15mm,15mm]的情況下，可以實(shí)現(xiàn)傳輸功率的恒定輸出，且偏差小于10%。
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，IEEE PELS 儲(chǔ)能系統(tǒng)與裝備技術(shù)委員會(huì)常務(wù)理事、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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