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一种高偏移容限的无线电能传输系统设计

作者：张朱浩伯1,2，徐德鸿1，PHILIPT.Krein1,2，马皓1,2

（1.浙江大学电气工程学院；2.浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院）

DOI：10./j.issn.-..1.

基金项目：国家自然科学基金资助面上项目（）

引用信息：

张朱浩伯,徐德鸿,PHILIPT.Krein,等.一种高偏移容限的无线电能传输系统设计[J].电源学报,,19(1):-.

ZhangZhuhaobo,XuDehong,PHILIPT.Krein,etal.Designofawirelesspowertransfersystemwithhighmisalignmenttolerance[J].JournalofPowerSupply,,19(1):-(inChinese).

研究背景

针对电动汽车充电应用的感应式无线电能传输技术凭借其安全系数高、能源清洁和充电便捷等优点，成为未来电动汽车能量供给的发展趋势。泊车的随机性会导致耦合变压器的原副边存在一定偏移，该偏移量的增加会引起耦合系数的降低和功率传递特性的显著变化，进而导致充电效率的明显下降。因此，偏移容限特性是无线电能传输系统设计中的关键问题。

解决的问题及意义

本文提出了一种具有高偏移容限特性的无线电能传输系统设计方法，针对原边螺线管结构、副边双解耦绕组结构的变压器设计，通过理论和仿真分析验证其具有良好的抗偏移特性。另外，针对不同的原副边补偿网络以及整流桥的连接方式，给出了电路拓扑的匹配条件，使系统能够充分利用变压器线圈在偏移下耦合互补的特性。最后，通过实验验证了系统设计的有效性。

重点内容

图1所示为本文所提高偏移容限耦合变压器结构。其中变压器原边采用的是螺线管结构，包括铁氧体磁芯、线圈绕组1和屏蔽铝板；变压器副边采用的是双解耦线圈结构，包括铁氧体磁芯、线圈绕组2和3以及屏蔽铝板，其中副边的铝板为了显示变压器的结构而在图1中隐藏掉。副边双线圈分别接收从螺线管线圈传输来的磁场能量。在绕组背面放置的条形铁氧体磁芯可以实现更高的磁通高度，从而增强变压器的耦合特性。

图1高偏移容限耦合变压器结构

基于上述耦合变压器的结构特性给出相应电路拓扑的设计条件。变压器的原边和副边均可采用单电容串联或者LCL型的补偿网络，同时直流输出侧可以采用电路并联或者串联的方式进行功率叠加，经过排列组合共有8种拓扑。但是，这8种电路拓扑并不都能与所设计的变压器特性相符合，电路特性也各不相同。与变压器结构相匹配的电路拓扑适用条件如图2和图3所示，变压器的原副边均为单电容串联的补偿方式，但是直流输出侧分别以串联和并联方式相连接。

图2原副边串联补偿且输出串联电路拓扑

图3原副边串联补偿且输出并联电路拓扑

通过排列组合得到的8种电路拓扑方案中，能与所提耦合变压器结构配合使用的只有其中4种，并且这4种拓扑分别表现出不同的电路特性，其性能比较如表1所示，这是考虑到系统成本与性能的较优选择。

表1与耦合变压器相匹配的4种电路拓扑比较

测试系统在正对以及偏移条件下的电路特性。图4～图6所示为耦合变压器在正对、沿X轴偏移mm以及mm条件下，逆变器输出电压Vp以及变压器副边两路输出电流is1和is2的实验波形。实验验证了所提高偏移容限的无线电能传输系统设计方法的有效性。

图4耦合变压器正对时的实验波形

图5耦合变压器沿X轴偏移mm时的实验波形

图6耦合变压器沿X轴偏移mm时的实验波形

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