华中科技大学贾舒然、段善旭 等：实现效率优化的无线电能传输系统双侧多周期不对称电压激励方法

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双有源全桥结构由于结构简单，控制自由度多，被广泛应用于单向及双向的无线电能传输系统中。然而传统的双移相控制和三移相控制方法，难以同时实现较低的中间谐振环节损耗与较低的开关损耗，在轻载和中载状况效率低下。 华中科技大学能量变换与管理实验室团队的贾舒然、段善旭、陈昌松、陈浩文在2023年第17期《电工技术学报》上撰文提出一种双侧多周期不对称电压激励方法，通过采用多周期不对称激励电压波形，配以相位控制，使系统在全功率范围下以较小的环流代价实现负载匹配与开关器件零电压开通。实验表明，所提方法在轻载至满载的全功率范围内获得了较高的传输效率，验证了所提方法的有效性。

研究背景

感应式无线电能传输技术由于无需电气连接即可实现电能的传输，具有安全、方便的特点，因此在电子产品充电、电动汽车充电、轨道交通等场合有着广阔的应用前景。而在宽功率范围内实现高效功率传输是无线电能传输系统的基本要求。

论文所解决的问题及意义

图1 SS补偿的感应式无线电能传输系统主电路

论文所研究的双有源全桥结构的无线电能传输系统主电路如图1所示。以正向功率传输为例，中间谐振环节的效率图如图2所示，随着激励电压u1与u2基波分量之比κ偏离最优激励电压比κopt，负载失配，中间谐振环节的效率降低。随着激励电压u1与u2基波相位差δ偏离90°，功率因数降低，环流增大，中间谐振环节的效率亦会降低。

图2 激励电压比κ和相位差δ对中间谐振环节传输效率的影响

对于双有源桥结构的无线电能传输系统，传统的对称移相控制方法是双移相控制（DPS）和三移相控制（TPS）。双移相控制将激励电压比κ保持在最优激励电压比κopt，实现负载匹配，同时将相位差δ保持在90°，环流最小。因此，双移相控制方法可实现中间谐振环节损耗的最小化。

然而，为实现负载匹配，需要对双侧有源桥进行内移相调宽控制，此时若将相位差δ保持在90°，则部分开关器件处于硬开通状态，开关损耗较高。三移相控制在双移相控制的基础上增加对相位差δ的额外控制，实现所有开关器件的零电压开通，降低了开关损耗，但由于相位差δ偏离90°，环流增大，中间谐振环节的损耗较大。

由此可见，对于传统的对称移相控制，实现所有开关器件的零电压开通需要以较高的环流损耗为代价，无法在较低的环流情况下实现所有开关器件的零电压开通，使系统在轻载和中载时整体效率低下。

论文方法及创新点

论文提出了一种双侧多周期不对称电压激励方法，可在宽功率范围内以较低的环流代价实现所有开关器件的零电压开通。如图3所示，该方法在一、二次侧采用一种具有多个周期的不对称激励电压波形，当系统需要降功率运行时，根据功率大小对构成多周期激励电压波形的各个半周期脉宽依次进行缩减，以实现负载匹配。同时，通过调节二次侧激励电压波形相对于电流波形之间的位置关系，实现宽功率范围内的开关器件零电压开通。

图3 多周期不对称激励电压波形（以二周期为例）

图4 所提方法对相位差δ的提升作用

如图4所示，利用各个半周期脉宽随功率降低依次缩减的变化模式，使激励电压相位差随功率的逐渐降低而出现多次回归至峰值的非单调变化特性，平抑了宽功率范围内激励电压相位差的波动幅度而将其维持于较高值，进而以较低的环流代价实现开关器件零电压开通，进而实现宽功率范围内的效率提升。

图5 实验平台

图6 实验波形

图7 所提方法效率与传统方法对比

最后，研究人员通过设计一套额定功率为3.7kW的实验平台（如图5所示）来验证所提方法的有效性。实验波形如图6所示，所有开关器件均实现零电压开通。实验测得所提方法的效率与传统方法效率对比如图7所示，在全功率段，所提方法（1P-AVC、2P-AVC、3P-AVC）的效率显著优于传统的TPS和DPS方法，尤其在轻载段，所提方法的效率提升效果明显。

结论

本文提出了一种无线电能传输系统的多周期不对称电压激励方法，可在宽功率范围内以较低的环流代价实现所有开关器件的零电压开通，进而在宽功率范围内实现较高的整体效率。该方法无需任何额外的硬件电路，成本低、实用性强，具有较好的应用前景。

团队介绍

研究人员隶属于华中科技大学能量变换与管理实验室团队，团队负责人为段善旭教授。团队主要研究方向包括储能变换器、UPS并联运行控制技术、光伏逆变器并网运行控制技术、非隔离型与隔离型谐振式DC/DC变换器拓扑与参数优化设计、磁性元器件优化设计、无线电能传输技术、交直流微电网能量管理、光伏发电量预测及故障诊断、微电网规划与调度等。

该工作发表论文的通讯作者为段善旭教授、博士生导师，现为国际电气电子工程师学会高级会员、中国电机工程学会及中国电工技术学会高级会员，湖北省高级专家协会会员。曾获教育部新世纪优秀人才、湖北省新世纪高层次人才工程人选、“中达学者”、“华中学者”等称号。发表SCI、EI等收录的科技论文200余篇，出版专著、教材2本，研究成果曾获得国家科技进步奖1项、省部级科学技术进步奖8项。

本工作成果发表在2023年第17期《电工技术学报》，论文标题为“实现效率优化的无线电能传输系统双侧多周期不对称电压激励方法”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

贾舒然, 段善旭, 陈昌松, 陈浩文. 实现效率优化的无线电能传输系统双侧多周期不对称电压激励方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(17): 4597-4609. Jia Shuran, Duan Shanxu, Chen Changsong, Chen Haowen. Dual-Side Multi-Period Asymmetrical Voltage Excitation Control for Wireless Power Transfer System for Efficiency Optimization. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(17): 4597-4609.

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