[發明專利]一種無線電能傳輸系統及其效率優化方法

有效

• 申請號: 202011580023.6
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112865328B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 王義;楊中平;林飛;冀晨璐;張勁霄;高欣芳;冉安杰
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J50/70;H02J50/90
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

本發明涉及一種無線電能傳輸系統及其效率優化方法，無線電能傳輸系統系統包括電源、兩個控制器、負載單元、子系統一和子系統二；子系統一包括原邊變換器、兩個復合型耦合線圈結構和副邊變換器，子系統二包括原邊變換器、兩個復合型耦合線圈結構和副邊變換器，電源的正極分別與兩個原邊變換器的正極連接，電源的負極分別與兩個原邊變換器的負極連接，負載單元的正極分別與兩個副邊變換器的正極連接，負載單元的負極分別與兩個副邊變換器的負極連接，兩個控制器之間通過無線通訊，其中一個控制器分別與兩個原邊變換器連接，另一個控制器分別與兩個副邊變換器連接。

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸領域，具體涉及一種無線電能傳輸系統及其效率優化方法。

背景技術

無線電能傳輸系統利用電磁感應原理實現電能的非接觸傳輸，因此相比于傳統的插入式電能傳輸方式，具有無暴露導線、無接觸火花、無磨損、低維護成本、易于實現自動供電等的優點。當無線電能傳輸系統的原邊發射裝置沿道路鋪設時，裝有副邊接收裝置的車輛可以在運行過程中接收到電能，實現邊走邊充，這樣可以減少車載儲能裝置的容量，從而使車輛輕量化，并且延長車輛續航里程，因此在電動汽車、軌道交通領域具有一定的應用前景。

圖1為無線電能傳輸系統的典型原理圖，原邊高頻逆變器直流電轉化為高頻交流電，高頻交流電流過原邊發射線圈后產生磁場，副邊接收線圈感應到同頻率的高頻交流電，經過整流后變成直流電，供給負載。無線電能傳輸系統耦合線圈的耦合系數相比傳統變壓器的較小(一般不超過0.5)，因此需要在變換器與線圈之間增加補償電路，以減小無功功率、降低電源容量、提高傳輸效率。實現期望功率下的高效傳輸一直是無線電能傳輸領域研究和熱點，通過設計階段對系統、尤其是電磁耦合機構合理設計，以及運行階段效率實時優化策略可以實現上述目標。

電磁耦合結構使無線電能傳輸系統中的關鍵部分，對耦合機構的合理設計是實現安全、高效的電能傳輸的關鍵。應用于現代有軌電車、地鐵以及高鐵等軌道交通領域時，無線電能傳輸系統的功率等級往往較高，達到幾百kW甚至MW級，合理設計與優化耦合線圈就顯得很重要。并且實際應用中，由于安裝空間有限，對線圈的大小提出了較高的要求，即要求耦合機構具有較大的功率面積密度和功率體積密度。對耦合機構進行優化設計和參數配置時，首先要選擇一種合理的耦合線圈形狀。常見的形狀有圓形、矩形(方形)，文獻[1]提出了一種如圖2-3所示的DD形線圈和如圖4所示的DDQ線圈，其中DD型線圈相比圓形和矩形具有更大的耦合系數，DDQ線圈則是在DD型線圈的基礎上增加了一個單獨的矩形線圈(稱之為Q)，該線圈與DD型線圈中心對稱布置，因此相互解耦，即線圈DD與線圈Q之間無互感。

文獻[1]中提出，使用DD型線圈作為原邊，DDQ型線圈作為副邊。電路拓撲結構如圖5所示，副邊的DD線圈(L_2DD)和Q(L_2Q)線圈分別于原邊線圈耦合，連接至各自的補償電容以及整流電路后并聯在一起。

根據磁場分布規律，當原邊與副邊線圈之間對準時，僅L_2DD與原邊線圈L₁存在耦合，實現電能的傳遞。當副邊耦合機構沿著x方向發生偏移時，偏移距離約占耦合機構長度(沿x方向的邊長)的34％時，L_2DD與原邊線圈L₁不再耦合，即M_DD＝0，此時由于副邊Q線圈的存在，該Q線圈與原邊線圈之間存在耦合，即M_Q≠0，僅靠Q線圈也可實現能量傳遞。在其它位置，副邊接收到的能量處于上述兩個極端之間，從而增強了無線電能傳輸系統的抗偏移特性，可實現正常充電的區域面積是使用圓形耦合線圈結構的無線電能傳輸系統的6倍。

文獻[2]提出了如圖6-7所示的BP型線圈，其中BP線圈由兩個等大矩形線圈組成，兩個矩形線圈部分重疊放置，以使兩個線圈解耦。使用BPP結構線圈作為副邊時，副邊電路結構與圖5展示類似，BPP結構線圈也具有良好的抗偏移性能。

DD線圈本質上是單線圈結構，DDQ和BP線圈則是利用多個分區布置的單線圈提高抗偏移性。以上幾種構型的功率密度相比單線圈結構并沒有明顯提高。