重庆大学等单位贾亚辉、王智慧等学者提出一种磁耦合无线电能传输系统宽范围零电压开关实现方法

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磁耦合无线电能传输（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，MC-WPT）系统通过高频交变磁场耦合实现能量的无线传输，为了降低电能传输过程中的开关损耗并减少电磁干扰，实现逆变器开关管的零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）运行至关重要。重庆大学研究团队提出一种宽耦合和宽负载范围ZVS实现方法，综合考虑了自感、互感、负载多参数变化问题，解决了传统移相调制中ZVS范围受限的问题，并通过实验验证了所提方法的有效性。

论文简报视频

研究背景

MC-WPT系统通过高频交变磁场耦合实现能量的无线传输，为了降低电能传输过程中的开关损耗并减少电磁干扰，实现逆变器开关管的ZVS运行至关重要。研究表明，逆变器能否实现ZVS运行与系统输入阻抗息息相关。一般来说，对于电压型逆变器，其输入阻抗呈感性有利于ZVS的实现。但同时考虑到系统无功功率不宜过大，一般将输入阻抗配置为弱感性。

实现最小无功功率下的ZVS运行是系统最佳运行状态，有利于效率提升。然而，MC-WPT系统中可能存在自感、互感、负载的同时变化，宽耦合和宽负载变化下系统ZVS运行范围受限，且自感变化会直接影响输入阻抗大小，导致ZVS无法实现或无功功率过大，实现最小无功功率下的ZVS运行变得异常困难。

论文所解决的问题及意义

本文提出一种基于阻抗自适应的MC-WPT系统宽耦合和宽负载范围ZVS实现方法。通过建立变参数MC-WPT系统的时域分析模型，研究线圈自感、互感和负载参数宽范围变化对系统ZVS运行的影响规律。并基于此规律提出无功功率最小化的ZVS实现方法，即利用副边失谐提供可变阻抗，通过耦合机构和补偿参数的优化设计，实现系统输入阻抗自适应，以拓宽ZVS运行的耦合和负载范围。

相比现有控制方法，本文不仅考虑了自感变化问题，而且将其合理利用，解决了传统宽耦合和宽负载范围移相调制中ZVS难以实现的问题，为线圈参数和负载变化的WPT系统提供了设计思路。

论文方法及创新点

为了得到系统ZVS运行条件，利用考虑谐波的时域模型推导了逆变器输出电流的表达式。移相控制的LCC补偿系统逆变器输出电压电流波形如图1所示。利用控制变量法研究线圈参数变化对系统ZVS运行的影响，得到自感和互感变化对ZVS运行的影响规律如图2所示。

图1 逆变器输出电压电流波形

图2 自感和互感变化对ZVS运行的影响规律

通过对耦合机构和系统参数的优化设计，可以实现变参数MC-WPT系统输入阻抗自适应，使iin(t1)始终满足ZVS临界条件又不会太小，这意味着宽耦合范围的ZVS运行和最小无功功率能够同时实现。进一步探究了系统宽耦合和宽负载范围ZVS运行边界轨迹，如图3所示。图中曲面即代表了系统ZVS运行的边界，曲面上方为非ZVS区域，曲面下方为ZVS区域。

（a）CC模式

（b）CV模式

图3 ZVS边界轨迹

耦合机构设计对ZVS运行十分关键，但其并不能保证全耦合范围内的最小无功电流。因此对谐振参数进行优化设计，以实现宽耦合范围内的无功电流最小化，如图4所示为系统参数优化流程。

图4 参数设计流程

为验证所提方法的有效性，搭建了如图5所示的实验装置，实验参数与理论分析保持一致。系统输入功率由直流电源提供，直流电子负载作为系统负载，耦合机构安装在三维运动测试平台上来模拟气隙的变化。

图5 实验装置

实验测试了不同负载和耦合参数下逆变器开关管的关键波形，证明系统始终处于ZVS运行状态，且无功功率降到最低。

结论

本文从变参数MC-WPT系统的时域模型出发，研究了线圈参数（自感和互感）和负载变化对系统ZVS运行的影响规律，并基于此提出了一种基于阻抗自适应的宽耦合和宽负载范围ZVS实现方法。其核心思想是利用副边失谐提供可变阻抗，通过耦合机构和补偿参数的优化设计，实现系统输入阻抗自适应，以拓宽ZVS运行的耦合和负载范围。

实验结果表明，在气隙变化范围10mm~60mm，最大自感变化范围32.88μH~23.84μH，最大互感变化范围19.13μH~6.05μH内，系统实现了最小无功功率下的宽耦合范围ZVS运行，且具备CC/CV输出特性，峰值效率达到92.5%。

团队介绍

重庆大学无线电能传输团队于2002年开始深入无线电能传输领域的研究工作，发起成立了中国电工技术学会和电源学会无线电能传输技术及装置专委会，累计发表SCI/EI论文300余篇，授权发明专利170余件，出版专著2部，获得多项国家级和省部级奖励；团队拥有相关无线电能传输领域国内唯一国家级研究平台，配备超2000万元的各类无线充电专用设备；团队承担了军科委基础加强项目、装备发展部重大基础项目等多项国家级项目，具备丰富的装置研发及工程实施经验。

贾亚辉

博士研究生，研究方向为无线电能传输技术、电力电子技术。

王智慧

博士，教授，研究方向为无线电能传输、电力电子技术。

赵雷

博士，副教授，研究方向为无线电能传输、电力电子系统与控制。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“磁耦合无线电能传输系统宽范围零电压开关实现方法“。本课题为中央高校基本科研业务费专项资金和广西壮族自治区重点研发计划资助项目。

引用本文

贾亚辉, 王智慧, 肖静, 左志平, 赵雷. 磁耦合无线电能传输系统宽范围零电压开关实现方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(22): 6952-6964. Jia Yahui, Wang Zhihui, Xiao Jing, Zuo Zhiping, Zhao Lei. Implementation Method of Wide Range Zero Voltage Switching in Magnetic Coupling Wireless Power Transfer System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 6952-6964.

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