西南交通大学研究者提出一种补偿型感应电能传输系统的抗偏移方法

Researchers from Southwest Jiaotong University propose an anti offset method for compensating induction power transmission systems

作者：本站  来源：转载  浏览：404  发布时间：2024-11-15

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

     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。