基于双拾取线圈的恒功率输出动态无线供电系统研究

• 作 者: 刘登伟
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 动态无线电能传输 双拾取 均流均功率 PI控制 恒功率输出

动态无线电能传输(Dynamic Wireless Power Transfer,DWPT)技术,通过地面铺设发射线圈,与移动用电设备上的拾取线圈磁耦合,实现动态非接触式电能传输。在轨道交通领域,有望取代受电弓或第三轨方式,成为新型的供电方式。对于电动汽车、有轨电车而言,连续的充电状态,能降低对储能电池的要求,提高行驶里程。目前,DWPT技术已经运用在电动汽车、轨道交通等领域,逐渐成为能源、交通领域关注的焦点。本文首先介绍了DWPT系统的国内外研究现状,主要包括补偿网络、耦合结构和控制策略的设计与优化,阐释系统各个结构和工作频率选择的依据,并推导了相关电能转换电路的电压电阻换算公式。与静态系统不同,DWPT系统的耦合参数和反射阻抗变动较大,从而导致输出特性,如负载电压电流、功率及效率的不稳定。为实现横向行驶时的输出稳定,本文同时从发射端和拾取端进行考虑,结合补偿拓扑、磁耦合结构的特征参数和单边控制策略,设计出一套适用于轨道交通领域的双拾取结构恒功率输出DWPT系统。首先耦合磁场应当稳定,不受拾取端反射阻抗变化的影响,因此采用具有恒流输出特性的LCC结构,线圈电流只由发射端参数决定。其次磁场应当分布均匀,因此采用一种单发射双拾取结构,双拾取线圈构成不解耦的重叠型D-D结构,两个互感相互补偿了波动过程中的零点,从仿真和实测互感曲线归纳出恒定不变的互感量及互感组合量,此外,两个拾取端并联输出,减小单个开关管电压电流应力。理论计算表明,将各个拾取端的交流等效电阻控制为拾取间互感阻抗时,DWPT并联系统总输出功率最大,工作效率接近最优,且两个副边均流均功率,同时整个系统动态移动过程中,功率及效率都保持恒定。PI控制部分由两个Boost电路独立完成,随着负载电阻的增加,占空比的可调节范围加宽,在不同负载条件下可以实现调节。最后搭建了600W输出系统,实验验证了不同负载下,该DWPT系统在0~40cm移动范围下均流特性、恒功率输出与效率稳定的可行性,功率和效率波动均维持在±2%以内。