動態無線充電系統功率波動抑制技術研究

作者簡介：殷勇（1971—），男，博士，高級工程師，主要從事高電壓技術、無線電能傳輸技術方向研究，（E-mail）3188440199@qq.com。

摘要：設計了一種新型的雙通道動態無線充電系統耦合機構，以解決動態無線充電系統在分段式發射導軌切換處的功率跌落問題。通過LCC-LCC型補償拓撲，設計了兩路能量傳輸通道，利用LCC-LCC補償拓撲的恒流特性，推導了系統輸出以及損耗與兩通道耦合參數之間的關系，實現了較為穩定的功率傳輸，提升了系統的抗偏移特性以及抗跌落能力。最后對所提方法進行了仿真和實驗，驗證了雙通道動態無線電能傳輸方案的可行性。

關鍵詞：動態無線充電系統；恒流；輸出功率穩定；LCC-LCC型拓撲

中圖分類號：TM724" " " " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1000?582X（2023）04?046?06

Abstract： In order to reduce the power drop of dynamic wireless charging system at the transmission rail switch， a new coupling mechanism of dual channel dynamic wireless charging system is designed. The dual energy transmission channels are designed based on the LCC-LCC compensation topology. By using the constant current characteristics of LCC-LCC compensation topology， the relationship between system output and loss and two channel coupling parameters is deduced. The design of dual energy transmission channels realizes relatively stable power transmission and improves the anti-offset characteristics and anti-drop ability of the system. Finally， the results of the simulation and experiment verify the feasibility of the two-channel dynamic wireless power transmission scheme.

Keywords： dynamic wireless charging system; constant current; constant output power; LCC-LCC topology

對于單通道動態無線電能傳輸（dynamic wireless power transfer， DWPT）系統來說，當系統拾取端位于分段式導軌切換域時，添加控制電路可以防止切換過程中互感的跌落而引起的耦合機構傳輸功率下降；同時，大功率系統控制電路更加復雜，很容易受到干擾，導致系統工作不穩定。而采用增大發射線圈來增強耦合機構抗偏移性會增大系統損耗，增大耦合機構占地面積，因此動態無線充電系統朝著多發射多拾取發展［1?3］。

近年來，國內外對DWPT系統的功率波動抑制研究取得了很多新成果。比如文獻［4］針對雙拾取系統，基于互感差異，提出一種在系統效率最優情況下的功率分配策略，但未考慮變換器占空比對其效率的影響以及不同拾取端的變換器效率對雙拾取WPT系統效率的影響；文獻［5］提出一種保證U型線圈系統穩定的方法，在電磁感應耦合無線電能傳輸系統中，新型U型線圈比雙線圈更節能。文獻［6］對電動汽車耦合機構進行優化，設計了交叉DD線圈，確保原副邊均采用DD線圈的情況下，恒流輸出及輸出性能更好。文獻［7］提出了一種新的動態耦合機構，雙極性線圈對稱放到單極性線圈上，這種特殊有效結構之間的自然耦合，便于設計補償網絡，可以有效減小電磁干擾。文獻［8］研究了電磁感應耦合無線電能傳輸系統中金屬環境的影響，提出一種DD線圈和在金屬環境下提高初級側和次級側互感的方法。

針對耦合機構切換域功率跌落嚴重的問題以及動態無線充電系統拾取端水平偏移時功率下降嚴重的問題，提出一種雙通道傳能耦合機構，提升耦合機構在切換域的拾取功率，同時增強拾取機構偏移時的拾取能力。

1 LCC-LCC型無線電能傳輸系統

1.1 系統建模

無線電能傳輸技術中有4種常見基本補償方式：串聯-串聯（SS）、串聯-并聯（SP）、并聯-串聯（PS）、并聯-并聯（PP）。該技術在WPT系統中得到了廣泛的應用，但由于結構為單級補償結構，存在諧振容量小、開關器件電壓和電流應力大等缺點［9］。在電動汽車動態無線充電系統中，拾取端存在移出的情況，所以采用LCC-LCC拓撲結構控制原邊發射線圈恒流輸出［10］，保證系統的安全性與可靠性。

基于LCC-LCC拓撲的無線電能傳輸雙通道電路圖如圖1所示。其中原邊線圈內阻為Rp1和Rp2，副邊線圈內阻為Rs1和Rs2對系統的損耗是最大的。

在動態充電過程中，存在通道1（Lp1與Ls1）和通道2（Lp2與Ls2）2個功率傳輸通道。通道1一直處于工作狀態，原邊發射端采用分段式導軌，并且是不斷切換的，而在切換過程中，由于原邊發射線圈激發的磁場并不是均勻分布的，使通道1副邊線圈與原邊線圈在切換過程中的互感減小，進而降低了副邊感應電壓，從而輸出給負載的電壓下降，也就是說通道1輸出給負載的電壓是變化的。此時需要通道2開始提供功率，以此補償通道1由互感減小造成的功率跌落，解決通道1由于導軌切換帶來的系統輸出電壓波動問題，保證總的疊加處于一定范圍內的動態平衡之中，減小切換域帶來的功率劇烈波動問題。

2通道共同工作時系統輸出功率為2個拾取線圈輸出功率之和，當不考慮線圈內阻，由公式（5）可得輸出與2通道互感關系表達式如下

由公式（6）可知，輸出功率與2通道互感的平方之和成正比，保證2通道互感的平方之和穩定即能夠穩定系統總的輸出功率。

2 實驗驗證

基于對系統性能與耦合機構的研究，最終搭建了實驗平臺對系統進行實驗驗證，實驗平臺如圖4所示，相關實驗參數如表1所示。

實驗中，設置系統輸入直流電壓為220 V，負載為10 Ω，分別得到通道1（Lp1與Ls1）正對、通道2（Lp2與Ls2）正對以及拾取端沿y軸偏移下的實驗波形圖如圖5（a）、圖5（b）以及圖5（c）所示。3個工況下對應的系統輸出波形分別如圖6（a）、圖6（b）以及圖6（c）所示，其中CH1、CH2和CH3分別為逆變器輸出電流、逆變器輸出電壓和系統輸出電流。

對比圖6（a）、圖6（b）以及圖6（c）可知，當拾取端位于切換域時拾取功率基本穩定，未出現功率大幅跌落現象。而拾取端沿y軸移動時，拾取功率出現了輕微的跌落，此時矩形拾取線圈與DD拾取線圈共同為負載供電。

3 結" 論

針對動態無線充電系統的偏移以及功率跌落問題，提出了一種新型的雙通道動態無線充電系統耦合機構，推導出系統輸出以及系統損耗與耦合參數的關系。實驗以及仿真說明提出的雙通道動態無線充電系統可以有效提升系統在切換域的拾取功率，能改善系統的抗偏移特性。

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（編輯" 侯湘）