西南交通大学唐丁源、周玮 等：具有恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输技术研究

阅读提示：本文约 2000 字

近年来，随着电动汽车、自动引导车辆的使用，需要移动供电场景越来越多，动态无线电能传输技术可实现用电设备移动过程中的不间断供电。目前，动态电场耦合式无线电能传输的研究多利用发射端较长的单发射-单接收近似模拟动态场景，并未考虑分段式发射系统所带来的问题，因此本文设计了一种多发射-单接收的具有变负载和过分段恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输系统。

研究背景

近年来，利用金属极板间的高频电场实现电能传输的电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer , EC-WPT）技术得到了越来越多的研究。EC-WPT系统具有电场可实现穿越金属物体传能而不会产生显著的涡流损耗、耦合机构的成本和重量低、抗偏移性较好等优势。

动态无线电能传输(Dynamic wireless power transfer, DWPT)技术通过在移动的接收端沿线铺设电能发射装置，实现用电设备移动过程中的不间断供电，可以有效缓解移动装置续航里程不足的问题。由于运载工具对DWPT系统的电能接收设备体积、重量都有较高要求，因此EC-WPT技术的优点与DWPT的特殊需求高度契合。

在DWPT系统中，为了降低系统待机损耗与电磁辐射，发射端通常采用分段式耦合机构。然而，分段式发射结构给DWPT系统引入了两个新问题：(1)相邻段发射极板间距离较近时，发射端口间的耦合会影响系统谐振，相反，极板间距较远时，系统过分段时输出电压将跌落。(2)在接收端位置以及负载电阻发生变化时，系统增益如何保持一致。

图1 分段式动态EC-WPT系统耦合机构示意图

目前，针对动态EC-WPT技术的研究多发射端较长的单发射-单接收EC-WPT系统近似模拟动态场景，现有研究一定程度上探究了发射端与接收端相对位移下的系统效率提升方法和功率输出稳定性，但并未考虑分段式发射系统所带来的问题。

论文所解决的问题及意义

提出了多端口电场耦合机构的反混合G参数模型，该模型更适用于动态EC-WPT系统恒压输出设计。

在考虑耦合参数时变的情况下，提出了一种具有发射端极板电压恒定以及系统输出电压恒定的补偿网络。

明确了移动过程中发射端同侧耦合对逆变器零电压导通的影响。

论文方法及创新点

本文从实际需求出发，结合电场传能的特性，建立了一种更适用于动态EC-WPT系统的多端口耦合机构新等效模型，并设计相应的补偿网络，最后通过搭建实验样机进行验证。

创新点1

建立了基于反混合G参数矩阵的三段口耦合机构等效电路。

图2 基于G参数的三端口耦合机构等效电路

创新点2

设计了极板电压、系统增益恒定的补偿网络。

图3 系统电压增益及极板电压曲线

创新点3

分析了同侧耦合对发射端电流相位的弱感性影响。

图4 不同负载与发射端间距下发射端输入阻抗角

图5 实验样机

实验结果

将接收端以约0.4m/s的速度移动。图6分别给出了负载为30Ω和100Ω时的实验结果，系统接收端在运动过程中输出电压始终保持稳定，负载电阻为30Ω时，过分段中心处输出电压跌落幅度为2.33%，负载电阻为100Ω时，跌落幅度为2.06%。

图6 移动过程中负载电压Uout与逆变器电流i1a，i2a (a) RL=30Ω, (b) RL =100Ω

为了测试负载变化时输出电压的稳定性，分别选取接受端位置在过分段中心和发射段中心两个位置，将负载从100Ω切换到30Ω，检测负载电压。如图7(a)所示，在发射段处的变化幅度为11.34%，如图7 (b)所示，在过分段处的变化幅度为11.58%。电压跌落由系统轻微失谐以及系统各部分内阻导致。但在不同位置和负载下，系统仍能保持输出电压的基本恒定，这一规律与理论分析基本一致。

图7 负载电压与电流Uout, Iout与逆变器电流i2a

结论

本文提出了一种具有变负载与过分段恒压输出特性的动态EC-WPT系统，提出了适用于动态EC-WPT系统的多端口电场耦合机构的反混合G参数模型；在G参数模型上提出了极板恒压的LCLC-S型补偿网络，使得系统输出电压不随负载发生变化；证明了在LCLC-S网络中，发射端之间的同侧耦合对系统谐振产生了弱感性的影响，同侧耦合并不影响逆变器的软开关和实现系统的恒压输出效果。实验结果验证了本文设计的动态EC-WPT系统具有变负载与过分段恒压输出特性。

团队介绍

实验室

研究人员隶属于西南交通大学（交通）能源互联网研究中心（iTEC），中心负责人为何正友教授。中心现有教授6人、副教授/副研究员10人。中心无线供电课题组致力于轨道交通无线供电、特殊电源、能量收集等方向研究，近年来课题组成员主持国家自然科学基金项目8项（含联合重点项目1项）、四川省科技项目5项、企业横向课题20余项；发表SCI/EI论文100余篇，出版专著1部，授权发明专利80余项；获教育部科技发明一等奖1项、四川省自然科学奖一等奖1项、教育部科学技术进步二等奖1项、中国铁道学会科技一等奖/二等奖各1项、十四届茅以升铁道科技奖1项等。

唐丁源

硕士研究生，研究方向为电容式无线供电技术。

周玮

副研究员、硕士生导师。主要研究方向电容式无线供电技术，能量与信号并行传输。

何正友

教授、博士生导师，国家人才计划入选者，主要研究方向：交通能源融合、信息理论在电力系统中的应用等。

麦瑞坤

教授、博士生导师，国家青年人才计划入选者，主要研究方向：无线电能传输技术及其应用。

本工作成果发表在2023年第20期《电工技术学报》，论文标题为“具有恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输技术”。本课题得到国家自然科学基金和四川省科技计划的支持。

引用本文

唐丁源, 周玮, 黄亮, 麦瑞坤, 何正友. 具有恒压输出特性的电场耦合式动态无线电能传输技术[J]. 电工技术学报, 2023, 38(20): 5385-5397. Tang Dingyuan, Zhou Wei, Huang Liang, Mai Ruikun, He Zhengyou. Dynamic Electric-Filed Coupled Wireless Power Transfer System with Constant Voltage Output Characteristics. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(20): 5385-5397.

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