恒壓輸出型復(fù)合旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化
中文題目：恒壓輸出型復(fù)合旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化
論文題目：Design and Optimization of Rotational Hybrid WPT System with Constant Voltage Output
錄用期刊/會議：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (中科院大類二區(qū)TOP)
原文DOI：10.1109/JESTPE.2024.3431559
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10605797
錄用/見刊時間：2024年7月11日
作者列表：
1） 吉 莉 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
2） 張 明 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院先進(jìn)科學(xué)與工程計算專業(yè) 博23
3） 孫紅軍 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系教師
4） 李 軍 中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 油氣井工程系教師
4） Aiguo Patrick Hu 奧克蘭大學(xué) 電氣與電子工程系教師
摘要:
無線電能傳輸（WPT）技術(shù)為旋轉(zhuǎn)式電氣設(shè)備供電提供了一種安全可靠的解決方案。對于旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，耦合和負(fù)載變化可能會導(dǎo)致較大的輸出電壓波動，從而導(dǎo)致供電的不穩(wěn)定。本研究提出了一種基于優(yōu)化后的多層盤狀線圈和復(fù)合拓?fù)涞男D(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，為旋轉(zhuǎn)式電氣設(shè)備供電。磁耦合機(jī)構(gòu)采用多層盤狀線圈設(shè)計，通過對外直徑的優(yōu)化和鐵氧體的利用，大大提高了主耦合系數(shù)并降低了交叉耦合干擾。本文提出了一種由S型和T型網(wǎng)絡(luò)組成的ISOP型復(fù)合拓?fù)洌趯採詈锨闆r下實現(xiàn)近似負(fù)載無關(guān)的恒壓輸出。通過仿真優(yōu)化使得系統(tǒng)效率最大化，并構(gòu)建了維持恒壓輸出的線圈最大偏移范圍。為了評估該系統(tǒng)的性能，構(gòu)建了一套恒壓輸出為100V的試驗原型。實驗結(jié)果表明，在同軸線圈偏移高達(dá)70%的情況下，輸出電壓的最大波動保持在5%之內(nèi)。當(dāng)負(fù)載在30Ω~150Ω（功率在327.69W~73.15W）范圍內(nèi)時，系統(tǒng)整體評價效率達(dá)到90.1%。
背景與動機(jī):
當(dāng)前，旋轉(zhuǎn)電氣設(shè)備廣泛應(yīng)用于油氣鉆井、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，電刷和滑環(huán)是目前旋轉(zhuǎn)工況下的主要電能傳輸設(shè)備，然而這種傳輸方式面臨著線纜裸露和電火花的風(fēng)險，可能引起安全問題。此外，長期工作導(dǎo)致的磨損會出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致電力傳輸不穩(wěn)定，這也大大降低了旋轉(zhuǎn)供電設(shè)備的可靠性。
為了解決傳統(tǒng)接觸式供電的安全性和穩(wěn)定性差的問題，提出了無線電能傳輸（WPT）技術(shù)。該技術(shù)基于磁耦合諧振的原理，避免了雜亂的線纜，具有傳輸距離長、安全性高、可靠性高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車、無人機(jī)、醫(yī)療植入式裝置等領(lǐng)域。WPT技術(shù)在旋轉(zhuǎn)供電領(lǐng)域的應(yīng)用，大大提高了旋轉(zhuǎn)電氣設(shè)備的供電穩(wěn)定性，降低了設(shè)備維護(hù)成本。然而，在設(shè)計旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)時，如何達(dá)到恒定的輸出仍然是一個挑戰(zhàn)。
鑒于目前的研究問題，本文提出了一種旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，以實現(xiàn)負(fù)載和磁耦合機(jī)構(gòu)的大范圍偏移情況下的高效恒壓輸出。
設(shè)計與實現(xiàn):
基于T型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了如圖1所示的ISOP型復(fù)合拓?fù)洌⒃O(shè)計了如圖2所示的基于多層盤狀線圈的磁耦合機(jī)構(gòu)，通過對線圈外直徑和增加鐵氧體的優(yōu)化，降低了交叉耦合對復(fù)合拓?fù)涞妮敵龅挠绊憽?/span>
圖1 基于多層盤狀線圈和ISOP型復(fù)合拓?fù)涞耐暾鸚PT系統(tǒng)
圖2 多層盤狀線圈模型
通過對ISOP型復(fù)合拓?fù)涞膮?shù)優(yōu)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的平均效率和抗偏移性能。參數(shù)設(shè)計流程如圖3所示。
圖3 參數(shù)設(shè)計流程圖
實驗結(jié)果及分析:
本文設(shè)計了一套輸出為100V的WPT系統(tǒng)，系統(tǒng)諧振頻率為85kHz，電壓增益偏移范圍?為5%。通過Simulink仿真，得到系統(tǒng)最優(yōu)效率對應(yīng)下的電壓增益。在初級側(cè)全橋逆變器由四個碳化硅mosfet（IMZ65R048M1）構(gòu)成，在次級側(cè)全橋整流器由IDW40G120C5B二極管構(gòu)成，線圈由0.1mm/1050股的利茲線纏繞制成。
圖4 旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)實驗裝置
圖5為負(fù)載電壓UL隨線圈分離和負(fù)載變化的曲線。本文提出的旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)在極端情況下電壓變化范圍為13.4%，參照國際標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-3-3:2013和中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326-2008，該值在要求的±7%的標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。圖6為效率變化曲線，整體系統(tǒng)的平均效率為90.1%，在磁耦合機(jī)構(gòu)偏移和負(fù)載變化情況下系統(tǒng)仍能保持高效穩(wěn)定的電力輸出。
圖5 負(fù)載電壓UL隨線圈分離和負(fù)載變化的曲線
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
結(jié)論:
本文提出了一種旋轉(zhuǎn)式WPT系統(tǒng)，可以在負(fù)載和磁耦合機(jī)構(gòu)的大范圍變化下保持CV輸出。通過對多層盤線圈的優(yōu)化設(shè)計，得到了較高的主耦合系數(shù)和較低的交叉耦合系數(shù)的磁耦合機(jī)構(gòu)。基于T型諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，分析了ISOP復(fù)合拓?fù)涞妮敵鎏匦裕C明其具有良好的抗偏移性能。然后對整個WPT系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，提出了效率最大化的參數(shù)設(shè)計方法，并給出了最大偏移量的求解方法。實驗驗證了所提出的旋轉(zhuǎn)WPT系統(tǒng)在不同負(fù)載和線圈偏移下的性能。結(jié)果表明：磁耦合機(jī)構(gòu)的同軸分離范圍為?5~35 mm，輸出電壓保持在100 V，且波動小于5%；在負(fù)載變化范圍30 Ω至150 Ω下，所提出的系統(tǒng)總體平均效率為90.1%。
作者簡介:
吉莉，副教授，博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)，長期致力于無線電能傳輸、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項國家自然科學(xué)基金項目、1項國家863課題和2項省部級基金，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人主持多項國家863項目、國家科技支撐項目。科技部國家第六次技術(shù)預(yù)測工作能源領(lǐng)域總體組專家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，IEEE PES 儲能系統(tǒng)與裝備技術(shù)委員會常務(wù)理事、中國電源學(xué)會無線電能傳輸技術(shù)及裝置專委會委員。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)明專利/軟件著作權(quán)10余項，編寫中文著作3部。
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