中文题目：LCL-LLC/S副边可切换恒流恒压型电场耦合无线电能传输系统

论文题目：Electric-Field Coupled Power Transfer System with Constant Current and Constant Voltage Output Based on Switchable Secondary Side of LCL-LLC/S Structure

录用期刊/会议：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI国际会议)

原文DOI：10.1007/978-981-97-0873-4_21

原文链接：http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_21

录用/见刊时间：2024年3月9日

作者列表：

1） 吉   莉 中国天天色天天（北京）人工智能学院 电子信息工程系教师

2） 张家琦 中国天天色天天（北京）人工智能学院新一代电子信息技术专业 硕22

3） 张江洪 中国天天色天天（北京）人工智能学院信息与通信工程专业 硕23

4） 葛富辰 中国天天色天天（北京）人工智能学院新一代电子信息技术专业 硕21

摘要:

电场耦合无线电能传输（EC-WPT）技术实际应用中，电池类负载要求供电系统在负载变化情况下提供恒流或恒压输出以及在两种输出模式之间即时切换的功能。本研究提出了一种基于LCL-LLC/S副边可重构拓扑结构实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统，且电池完成充电移除时系统自动进入低功耗状态。本文首先介绍了系统的基本结构与开关切换策略，搭建了系统的等效模型；之后分析了系统实现恒流/恒压和负载自适应的原理，并推导了系统参数条件和最佳切换点，给出了系统的参数设计方法；最后搭建仿真模型，初步验证了本文所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的可行性和可靠性。 

背景与动机:

在用于石油钻井开发的旋转导向设备中，常采用导电滑环的方式从旋转的钻杆向非旋转的外部套管上传输电能，为位于套管上的控制测量单元的电池充电，延长控制测量单元在井下的工作时长。然而这种方式的导电滑环在钻井过程中面临着旋转摩擦磨损、密封易失效、滑环受腐蚀等问题，降低了电能传输的可靠性，限制了滑环的使用寿命。

电场耦合式无线电能传输技术为解决旋转导向设备电能传输的低可靠性问题提供了一条有效的途径。该技术相较于磁场方式具有更好的抗电磁干扰性能，在井下复杂电磁干扰环境中能够保持输出的稳定。然而在设计WPT系统时，系统输出如何满足电池先恒流后恒压的充电需求仍然是一个挑战。

鉴于目前的研究问题，本文提出了一种LCL-LLC/S副边可重构EC-WPT系统，以实现系统恒流/恒压输出以及输出模式的切换。

设计与实现:

构建了如图1所示的LCL-LLC/S副边可重构EC-WPT系统，并建立不同输出模式下的等效电路，如图2和图3所示。通过分析系统输出特性并进行开关策略与切换点设计，满足电池充电对系统输出特性的需求。

 

图1 LCL-LLC/S副边可重构恒流恒压输出EC-WPT系统

 

图2 恒流输出系统等效电路

 

图3 恒压输出系统等效电路

通过对系统参数优化设计，提高了系统的平均效率，降低元件电压应力。参数设计流程如图4所示。

 

图4 参数设计流程图 

实验结果及分析:

本文设计了一套平均功率130W的EC-WPT系统，系统谐振频率为500kHz。通过Simulink仿真对所提系统进行仿真验证。图5和图6为不同负载下系统输出电流和输出电压变化情况，系统输出满足恒流/恒压的输出需求。图7为系统输出功率与效率与负载曲线，在负载变化情况下系统能够保持高效稳定输出。

图5 输出电流I_out随负载R_L变化的曲线

 

图6 输出电压U_out随负载R_L变化的曲线

 

图7 输出功率与效率与负载R_L关系

结论:

本研究提出了一种LCL-LLC/S副边可重构拓扑EC-WPT系统，利用开关切换实现了负载变化情况下系统恒流或恒压输出以及两种输出模式之间的转换，且恒压输出模式下系统具有负载自适应性，推导了实现该系统的元件参数条件，给出了系统参数设计方法，最后通过MATLAB/Simulink软件仿真，实现了1.8A/100V的恒流/恒压输出，在负载变化范围30 Ω至100 Ω下，系统总体平均工作效率约为85%，初步验证了此系统的可行性与稳定性。

作者简介:

吉莉，副教授，博士生导师。博士毕业于中国科学院大学，长期致力于无线电能传输、能源互联网及智能物联网技术相关研究工作，主持2项国家自然科学基金项目、1项国家863课题和1项省部级基金，作为技术负责人主持多项国家863项目、国家科技支撑项目。科技部国家第六次技术预测工作能源领域总体组专家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，中国电工技术学会无线电能传输专委会委员、中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会委员。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》、《Renewable Energy》等期刊上发表SCI/EI期刊论文30余篇，第一作者获授权/受理发明专利/软件著作权10余项，编写中文著作3部。

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