《電子技術應用》
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無線電能傳輸系統基于Buck-Boost拓撲的最大功率傳輸研究
2022年電子技術應用第10期
王喜升1,侯鈺慧2,郭波超2,崔振宇2,田子建2,王文清3
1.中煤信息技術(北京)有限公司,北京100029; 2.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院,北京100083;3.北京工業職業技術學院,北京100042
摘要: 近年來,無線電能傳輸(WPT)技術迅速發展,并廣泛應用于消費領域。影響無線電能系統傳輸效率有諸多因素,如負載變化、線圈偏移、頻率分裂等。為解決接收端負載變化引起系統傳輸效率降低的問題,在接收端串入Buck-Boost電路拓撲,并建立WPT系統電路數學模型以及線圈偏移模型,推導線圈偏移互感關系式,最后通過仿真得到線圈同軸模型系統和線圈偏移模型系統傳輸功率與占空比對應的關系圖。仿真結果表明調節Buck-Boost電路占空比可保證負載變化時線圈同軸模型系統和線圈偏移模型系統均可實現系統的最大傳輸功率,證明串入Buck-Boost電路拓撲結構可降低負載變化對傳輸效率的影響。
中圖分類號: TN81
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222578
中文引用格式: 王喜升,侯鈺慧,郭波超,等. 無線電能傳輸系統基于Buck-Boost拓撲的最大功率傳輸研究[J].電子技術應用,2022,48(10):129-134.
英文引用格式: Wang Xisheng,Hou Yuhui,Guo Bochao,et al. Research on maximum power transfer of wireless power transfer system based on buck-boost topology[J]. Application of Electronic Technique,2022,48(10):129-134.
Research on maximum power transfer of wireless power transfer system based on buck-boost topology
Wang Xisheng1,Hou Yuhui2,Guo Bochao2,Cui Zhenyu2,Tian Zijian2,Wang Wenqing3
1.China Coal Information Technology(Beijing) Co.,Ltd.,Beijing 100029,China; 2.School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083,China; 3.Beijing Polytechnic College,Beijing 100042,China
Abstract: In recent years, wireless power transfer(WPT) technology has developed rapidly and is widely used in the consumer field. There are many factors that affect the transmission efficiency of wireless power systems, such as load variation, coil offset, frequency splitting, etc. In order to solve the problem of reducing the transmission efficiency of the system caused by the load change at the receiving end,in this paper, the buck-boost circuit topology is connected in series at the receiving end, and the mathematical model of the WPT system circuit and the coil offset model are established. Then the mutual inductance relationship of the coil offset is deduced. Finally, the relationship between the transmission power and the duty cycle of the coil coaxial model system and the coil offset model system is obtained through simulation. The simulation results show that adjusting the duty cycle of the buck-boost circuit can ensure that both the coil coaxial model system and the coil offset model system can achieve the maximum transmission power of the system when the load changes. It is proved that the buck-boost circuit topology in series can reduce the influence of load changes on the transmission efficiency.
Key words : wireless power transfer;load variation;offset of the coil;buck-boost;duty cycle

0 引言

    19世紀90年代初,著名科學家特斯拉就開始了無線電能傳輸技術(Wireless Power Transfer,WPT)的研究,并隔空點亮了一盞磷光照明燈[1]。到2006年,MIT的科學家Marin Soljacic利用無線電能傳輸技術在距離2 m處隔空點亮了一盞60 W的燈泡[2-3]。從此,國內外無數學者對WPT的研究進入了高潮期,并將其應用在各個領域。該技術作為一種無接觸充電方式[4],已經被廣泛應用在電動汽車、植入式醫療設備、消費電子產品等各個領域[5-6],給人們的生活帶來了很大的便捷性和安全性。

    隨著電子設備種類的增加,負載阻抗變化引起系統傳輸效率降低的問題成為目前的主要研究方向之一。針對此問題各學者提出了不同的解決方法,目前有以下兩種解決方法:(1)阻抗匹配網絡,如T型補償網絡[7]、π型補償網絡[8]、LCC型補償網絡[9]、基于神經網絡自適應阻抗匹配[10]等。雖然采用LCC補償網絡可以輸出穩定電壓,但當負載變化時,造成能量的損失。神經網絡自適應阻抗匹配,隨著負載變化改變阻抗匹配網絡的參數解決LCC補償網絡的問題,但無法維持傳輸系統良好的性能。(2)線圈結構優化,如采用平面方形雙線圈結構[11]、平面圓形雙線圈結構[12]等。有學者推導出平面方形線圈結構耦合系數與線圈匝數及邊長有關,因此提出改變線圈參數提高效率,但實際應用中改變線圈結構較為麻煩。因此本文提出采用一種帶Buck-Boost變化拓撲結構的自適應調節網絡,并通過仿真實驗證明該結構的適用性。




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作者信息:

王喜升1,侯鈺慧2,郭波超2,崔振宇2,田子建2,王文清3

(1.中煤信息技術(北京)有限公司,北京100029;

2.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院,北京100083;3.北京工業職業技術學院,北京100042)



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