一种双耦合的无线电能传输磁场耦合器设计文献综述

 2022-09-21 10:09

  1. 文献综述(或调研报告):

无线电能传输(IPT)技术作为一种新兴的给电动汽车充电的方式已经被广泛研究。其主要结构是两个平行线圈来形成松耦合的变压器和补偿电路。无线电能传输系统的性能由补偿拓扑决定,可分为串联-串联、串联-并联、并联-串联、并联-并联、和LLC电路。其中最简单的串联-串联补偿电路已经被广泛使用于电动汽车充电应用中。它的缺点是输出功率与线圈的耦合系数成反比,当接收器不在时,一次侧电流会急剧上升。而LLC电路就没有这个缺点,它提供功率与线圈的耦合系数成正比,并且实现用于电池充电应用的恒流操作模式。看过的六篇文章中[1]和[2]都对LLC补偿的无线电能传输系统进行了深入研究。

在LLC补偿的无线电能传输系统中,设计补偿电感器时有三种选择:空芯电感器,环形电感器,集成电感器;前二者设计中,电感器与主线圈分离,系统唯一的耦合在主线圈之间,所以表示为单耦合IPT系统;而在集成设计中,补偿电感器集成在主线圈内,且有主耦合与补偿耦合,所以表示为双耦合IPT系统。空芯电感器可以消除磁损耗并且提升效率,但是电磁干扰(EMI)是一个问题。环形电感器有将磁场限制在铁芯内从而减轻EMI的优点,但是那些外部电感器需要额外的空间。因此,集成电感器能够帮助减少系统容量。在一些补偿电感器与主线圈的尝试中[2],补偿电感器间的耦合没有考虑在内。例如,补偿电感器的尺寸通常比主线圈小很多,并且由补偿电感器引起的耦合相对较小或甚至可以忽略。在实际工作中,补偿电感器的大小与主线圈相同,补偿电感器间的耦合变得与主线圈可比。在论文[1]就详细展示了这种耦合,只有考虑到了这种耦合才能更加深入的研究各类参数与不对称性能的关系。

其实在之前的研究中,不对称问题在无线电能传输系统中已经被研究,并且已经提出了两种解决方案。第一种方案是系统设计方面,设计了电感耦合器的结构来获得一个好的不对称性能。例如,已经提出单极结构[3],双D(DD)结构[4],和DDQ结构[5]。但是,因为耦合系数主要由尺寸决定,结构的差别不能显著提升不对称性能。在第二种方案中,额外的直流-直流变换器可以被使用在一次侧和二次侧来调节功率在不对称的情况下。例如,Bosshard和Kolar[6]提出了一个方法使用直流-直流变换器来调节它的功率和效率。

以上这六篇关于无线电能传输技术的文章,[2]是对于无线电能传输技术的初步探索,其没有考虑到补偿电感器间的耦合,但为以后的研究打下坚实基础。[3]、[4]、[5]是对于电感耦合器结构的设计探索,但是由于耦合系数主要由尺寸而不是结构的差别决定,所以不能显著提升不对称性能。而[6]的意义在于在没有增大耦合器尺寸或添加直流-直流变换器的情况下显著提升不对称性能。[1]是本课题研究的核心所在,其在前人研究的基础上提出了一个双耦合LLC补偿的IPT系统来提升不对称性能。补偿电感器是集成在主线圈里的来向二次侧传输电能,双耦合IPT系统的电路工作原理已经在[1]中详细介绍,且展示了补偿电感器的磁耦合可以提升IPT系统的不对称性能。实验结果说明提出的IPT系统在x轴和y轴不对称情况下至少能够相应保持56.8%和82.6%的良好对称功率。

参考文献:

[1]Fei Lu , Student Member, IEEE, Hua Zhang , Student Member, IEEE, Heath Hofmann, Senior Member, IEEE,Wencong Su, Member, IEEE, and Chunting Chris Mi , Fellow, IEEE,“A Dual-Coupled LLC-Compensated IPT System With a Compact Magnetic Coupler,”IEEE Trans.Power Electron, vol. 33, no. 7, pp. 6391-6402, JULY. 2018

[2]T. Kan, T. D. Nguyen, J. C. White, R. K. Malhan, and C. Mi, “A new integration method for an electric vehicle wireless charging system using LCC compensation topology: Analysis and design,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 2, pp. 1638–1650, Feb. 2017.

[3]R. Bosshard, U. Iruretagoyena, and J. W. Kolar, “Comprehensive evaluation of rectangular and double-D coil geometry for 50 kW/85 kHz IPT system,” IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 4, no. 4, pp. 1406–1415, 2016.

[4]M. Budhia, J. T. Boys, G. A. Covic, and C. Y. Huang, “Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 1, pp. 318–328, Jan. 2013.

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