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无线电能传输系统基于Buck-Boost拓扑的最大功率传输研究
2022年电子技术应用第10期
王喜升1,侯钰慧2,郭波超2,崔振宇2,田子建2,王文清3
1.中煤信息技术(北京)有限公司,北京100029; 2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院,北京100083;3.北京工业职业技术学院,北京100042
摘要:近年来,无线电能传输(WPT)技术迅速发展,并广泛应用于消费领域。影响无线电能系统传输效率有诸多因素,如负载变化、线圈偏移、频率分裂等。为解决接收端负载变化引起系统传输效率降低的问题,在接收端串入Buck-Boost电路拓扑,并建立WPT系统电路数学模型以及线圈偏移模型,推导线圈偏移互感关系式,最后通过仿真得到线圈同轴模型系统和线圈偏移模型系统传输功率与占空比对应的关系图。仿真结果表明调节Buck-Boost电路占空比可保证负载变化时线圈同轴模型系统和线圈偏移模型系统均可实现系统的最大传输功率,证明串入Buck-Boost电路拓扑结构可降低负载变化对传输效率的影响。
中图分类号:TN81
文献标识码:A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222578
中文引用格式:王喜升,侯钰慧,郭波超,等. 无线电能传输系统基于Buck-Boost拓扑的最大功率传输研究[J].电子技术应用,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世纪90年代初,著名科学家特斯拉就开始了无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)的研究,并隔空点亮了一盏磷光照明灯[1]。到2006年,MIT的科学家Marin Soljacic利用无线电能传输技术在距离2 m处隔空点亮了一盏60 W的灯泡[2-3]。从此,国内外无数学者对WPT的研究进入了高潮期,并将其应用在各个领域。该技术作为一种无接触充电方式[4],已经被广泛应用在电动汽车、植入式医疗设备、消费电子产品等各个领域[5-6],给人们的生活带来了很大的便捷性和安全性。

随着电子设备种类的增加,负载阻抗变化引起系统传输效率降低的问题成为目前的主要研究方向之一。针对此问题各学者提出了不同的解决方法,目前有以下两种解决方法:(1)阻抗匹配网络,如T型补偿网络[7]、π型补偿网络[8]、LCC型补偿网络[9]、基于神经网络自适应阻抗匹配[10]等。虽然采用LCC补偿网络可以输出稳定电压,但当负载变化时,造成能量的损失。神经网络自适应阻抗匹配,随着负载变化改变阻抗匹配网络的参数解决LCC补偿网络的问题,但无法维持传输系统良好的性能。(2)线圈结构优化,如采用平面方形双线圈结构[11]、平面圆形双线圈结构[12]等。有学者推导出平面方形线圈结构耦合系数与线圈匝数及边长有关,因此提出改变线圈参数提高效率,但实际应用中改变线圈结构较为麻烦。因此本文提出采用一种带Buck-Boost变化拓扑结构的自适应调节网络,并通过仿真实验证明该结构的适用性。




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作者信息:

王喜升1,侯钰慧2,郭波超2,崔振宇2,田子建2,王文清3

(1.中煤信息技术(北京)有限公司,北京100029;

2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院,北京100083;3.北京工业职业技术学院,北京100042)



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