西南交通大学张滨山、张泽恒 等：基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法

阅读提示：本文约 2300 字

在感应电能传输系统中，线圈错位难以避免，耦合变化导致系统的传输功率不稳定。为了保证供电灵活性，系统需具有容忍线圈宽范围偏移的能力。为此，西南交通大学研究团队借鉴模态切换的思想，提出一种基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统，用于增强系统抗偏移性能。

研究背景

相较于传统有线拔插系统，感应电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）技术通过电磁耦合实现电能的非接触传输，具有安全便捷、供电灵活等优点。目前，已在消费电子、生物医疗设备、电动汽车等领域得到广泛应用。然而，IPT系统原副边线圈的相对位置难以避免地存在偏移，引起的耦合变化会导致传输功率波动，影响系统安全。为了减缓控制压力，简化系统控制复杂度，利用电路拓扑的自身特性提升IPT系统的偏移能力是主要的方向之一。

论文所解决的问题及意义

现有基于模态切换的IPT系统抗偏移方法能够拓宽系统耦合变化范围，但是需要额外的耦合识别/输出检测、切换开关、以及反馈通信等辅助手段，以实现系统不同工作模态之间的切换。本文提出一种带有钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统，该系统能够在耦合机构偏移变化过程中自适应地实现工作模态的切换，以匹配耦合系数变化区间，从而实现近乎恒定的功率输出。

论文方法及创新点

1、模态自动切换方法

论文所提出的基于钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统如图1所示，根据线圈LC所感应电压的不同，分为三种工作状态：未导通状态、部分导通状态、完全导通状态。线圈偏移导致耦合系数k减小，进而促使钳位电路从未导通状态转变为部分导通状态，再转变为完全导通状态，从而实现不同工作模态的自适应切换。

图1 所提出IPT系统的拓扑结构

通过合理的参数设计后，系统输出功率和耦合系数的关系如图2所示。系统输出功率在A点、C点、E点到达允许最低输出功率值，在B点、D点到达允许最高输出功率值，耦合系数kmax对应系统无偏移状态，随着耦合系数k的减小，系统将经过状态切换点k1（部分导通临界点）、k2（理论完全导通临界点）、kc（实际完全导通临界点）。所提方法令IPT系统的输出功率在较宽耦合系数变化下保持较小范围波动。

图2 输出功率Pout与耦合系数k的关系曲线

2、实验验证

论文建立了500W实验样机，耦合系数可变动范围在0.205~0.42，输出功率变化保持在470~505W，如图3所示，验证了所提出方法的有效性。

图3 耦合系数变化下实测输出功率与效率

结论

本文提出了一种通过钳位电路自适应地切换系统模态以匹配不同耦合偏移区间的IPT系统，为IPT系统输出平稳性提升提供了解决方法，并得到以下结论：

1、分析了基于钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统的工作原理，并结合相关约束条件提出了参数设计方法，通过设计案例，得出了该系统具有良好的抗偏移性能。

2、说明了理论切换点与实际切换点存在偏差的原因，通过时域分析提供了实际切换点的计算方法，并根据参数化设计案例进行了理论验证。

3、实验表明，该系统在系统耦合系数变动210%的情况下，能够保证输出功率波动始终保持在3.2%以内，验证了所提方法有效性。

团队介绍

研究人员隶属于西南交通大学何正友教授带领的（交通）能源互联网研究中心。中心集应用基础、前沿技术研究与开发于一体，主要从事电力系统及其自动化、电力电子技术等领域的教学科研工作，主要研究方向包括电力系统保护及配网自动化、交通能源互联网、牵引供电系统电能质量与节能技术、供电系统可靠性与健康诊断、无线电能传输及应用等。

中心的无线供电课题组致力于无线供电、特殊电源、能量收集等方向研究，为四川省青年科技创新团队。近年来课题组成员主持国家自然科学基金项目10项、省部级项目15项、企业横向课题30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/进步二等奖、四川省自然科学奖一等奖、中国铁道学会科技一等奖/二等奖等奖励。

张滨山

硕士研究生，研究方向为无线传能系统的抗偏移性能提升。

麦瑞坤

教授、博士生导师，国家级青年人才，研究方向为无线电能传输技术及其应用、电力系统及其自动化。

陈阳

副研究员、硕士生导师，研究方向为无线电能传输技术及其应用。

本工作成果发表在2024年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法“。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

张滨山, 张泽恒, 杨斌, 麦瑞坤, 陈阳. 基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(8): 2388-2399. Zhang Binshan, Zhang Zeheng, Yang Bin, Mai Ruikun, Chen Yang. LCC-S Compensated Inductive Power Transfer System Against Misalignment with a Clamp Circuit. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(8): 2388-2399.

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