感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法

杨继鑫; 史黎明; 殷正刚; 范满义; 李耀华

doi:10.7500/AEPS20230712005

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法
- Current and Output Power Balancing Method for Multiple Parallel Pickup Modules in Inductive Power Transfer System
- 电力系统自动化 2024年48卷第5期页码：120-127
- 作者机构：
  
  1.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(中国科学院电工研究所),北京市 100190
  2.中国科学院大学,北京市 100049
- 作者简介：
  
  杨继鑫(1995—)，男，博士研究生，主要研究方向：轨道交通非接触供电技术及电力电子变换器控制。E-mail：jixiny@mail.iee.ac.cn
  史黎明(1964—)，男，通信作者，研究员，博士生导师，主要研究方向：特种电机和驱动控制、新型轨道交通牵引供电、大功率无线电能传输技术。E-mail：limings@mail.iee.ac.cn
  殷正刚(1982—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向：非接触供电技术及大功率变流器控制技术。E-mail：yzhg@mail.iee.ac.cn
- 基金信息：
  
  中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目(YSBR-045);已申请国家发明专利（申请号：CN202210859550.3）
- DOI：10.7500/AEPS20230712005
  中图分类号：
- 收稿：2023-07-12，
  
  修回：2023-10-30，
  
  网络出版：2024-01-23，
  
  纸质出版：2024-03-10
- 稿件说明：
移动端阅览
杨继鑫,史黎明,殷正刚等.感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法[J].电力系统自动化,2024,48(5):120-127.

YANG Jixin,SHI Liming,YIN Zhenggang,et al.Current and Output Power Balancing Method for Multiple Parallel Pickup Modules in Inductive Power Transfer System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(5):120-127.
杨继鑫,史黎明,殷正刚等.感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法[J].电力系统自动化,2024,48(5):120-127. DOI： 10.7500/AEPS20230712005.

YANG Jixin,SHI Liming,YIN Zhenggang,et al.Current and Output Power Balancing Method for Multiple Parallel Pickup Modules in Inductive Power Transfer System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(5):120-127. DOI： 10.7500/AEPS20230712005.

摘要

大功率感应电能传输系统通常采用多并联拾取模块结构。然而，多并联拾取模块参数不一致，会导致各个拾取模块的电流和输出功率不均衡，从而降低系统效率，严重时会因模块过流而造成系统故障。为解决该问题，文中提出一种基于并联拾取模块补偿电容器的多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法。首先，介绍了传统感应电能传输系统与所提出的感应电能传输系统拓扑的特性。然后，分别分析了互感、拾取线圈自感及内阻对电流分布和系统效率的影响。最后，通过4个并联拾取模块的感应电能传输系统实验平台验证了所提方法的有效性。实验结果表明，采用所提方法时多并联拾取模块的电流和输出功率基本一致，并且相比传统感应电能传输系统，系统效率最高提升了2.21%。

Abstract

The structure of multiple parallel pickup modules is often applied in the high-power inductive power transfer (IPT) system. However

the inconsistent parameters of multiple parallel pickup modules may result in unbalanced current and output power between pickup modules

which reduces the system efficiency and may cause the system failure due to the module overcurrent in severe cases. To solve this problem

this paper proposes a method to balance the current and the output power of multiple parallel pickup modules by connecting the compensation capacitors of all pickup modules in parallel. First

the characteristics of the topologies of the conventional IPT system and the proposed IPT system are analyzed. Then

the influence of the mutual inductance

the self-inductance and the inner resistance of the pickup coil on current distribution and system efficiency is analyzed. Finally

the effectiveness of the proposed method is verified by an experimental platform of the IPT system with four parallel pickup modules. The experimental results show that the current and the output power of multiple parallel pickup modules are almost equal when adopting the proposed method

and the system efficiency is improved by 2.21% compared with the conventional IPT system.

关键词

Keywords

references

胡秀芳，王跃，吕双庆，等 . 基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 121 - 130 .

HU Xiufang ， WANG Yue ， LYU Shuangqing ， et al . Modeling and stability analysis of wireless power transfer system based on harmonic state space ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 121 - 130 .

WANG Y ， ZHAO S Y ， KHEIROLLAHI R ， et al . Multiphase interleaved IPT based current-source converter for high-current application ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics ， 2022 ， 3 （ 3 ）： 583 - 593 .

CAO X B ， SATO H ， XU K D ， et al . A systematic method for efficient wireless powering to implantable biomedical devices ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation ， 2023 ， 71 （ 3 ）： 2745 - 2757 .

辛本钊，马秀娟，蔡春伟，等 . 基于空间旋转磁场的全方向无人机无线电能传输系统［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 12 ）： 4769 - 4778 .

XIN Benzhao ， MA Xiujuan ， CAI Chunwei ， et al . Omnidirectional wireless power transfer system for unmanned aerial vehicle based on spatial rotating magnetic field ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 12 ）： 4769 - 4778 .

JEONG M S ， JANG J H ， LEE E S . Optimal IPT core design for wireless electric vehicles by reinforcement learning ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 11 ）： 13262 - 13272 .

MARQUES E G ， COSTA V S ， PERDIGÃO M S ， et al . Double coupling in-wheel IPT system for electric vehicles ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2023 ， 72 （ 10 ）： 12757 - 12769 .

姚若玉，曲小慧，郁继栋，等 . 自适应电池充电曲线的三线圈电池无线充电器［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 7 ）： 170 - 177 .

YAO Ruoyu ， QU Xiaohui ， YU Jidong ， et al . Three-coil wireless battery charger with self-adaptation to battery charging curve ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 7 ）： 170 - 177 .

陈凯楠，蒋烨，檀添，等 . 轨道交通350 kW大功率无线电能传输系统研究［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 10 ）： 2411 - 2421 .

CHEN Kainan ， JIANG Ye ， TAN Tian ， et al . Research on 350 kW high power wireless power transfer system for rail transit ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 10 ）： 2411 - 2421 .

LI C H ， WANG Z ， XU Y . A wireless-power-transfer-based three-phase PMSM drive system with matrix converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 3 ）： 2307 - 2317 .

刘华东，赵万平，乐文韬，等 . 智能轨道列车动态无线供电系统无源控制研究［J/OL］. 工程科学与技术［ 2023-08-31 ］. https：//doi.org/10.15961/j.jsuese.202300236 https://doi.org/10.15961/j.jsuese.202300236 .

LIU Huadong ， ZHAO Wanping ， LE Wentao ， et al . Research on passivity-based control of dynamic wireless power transfer system for autonomous-rail train ［J］. Advanced Engineering Sciences ［ 2023-08-31 ］. https：//doi.org/10.15961/j.jsuese.202300236 https://doi.org/10.15961/j.jsuese.202300236 .

KIM J H ， LEE B S ， LEE J H ， et al . Development of 1-MW inductive power transfer system for a high-speed train ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2015 ， 62 （ 10 ）： 6242 - 6250 .

DENG J J ， ZHANG Y Q ， WANG S ， et al . The design and coupler optimization of a single-transmitter coupled multireceiver inductive power transfer system for maglev trains ［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification ， 2021 ， 7 （ 4 ）： 3173 - 3184 .

ZHANG F C ， SHI L M ， YIN Z G ， et al . A current balance control strategy applied in inductively coupled power transfer system with multiple parallel pickup modules ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2019 ， 68 （ 3 ）： 2207 - 2217 .

LEE E S ， LEE G ， KIM M . Controller design of synchronous rectifier for uniformly wireless power delivery of multiple Rx coils ［J］. Journal of the Korean Society for Railway ， 2021 ， 24 （ 10 ）： 829 - 840 .

范满义，史黎明，殷正刚，等 . 感应电能传输系统中多拾取线圈互感补偿方法及输出功率平衡策略［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （ 17 ）： 3998 - 4006 .

FAN Manyi ， SHI Liming ， YIN Zhenggang ， et al . A method of multiple pickups coil mutual inductance compensation and output power balance in induction power transfer system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ 17 ）： 3998 - 4006 .

POLAT H ， AYAZ E ， ALTUN O ， et al . Balancing of common DC-bus parallel-connected modular inductive power transfer systems ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 2 ）： 1587 - 1596 .

SHENG X R ， SHI L M ， ZHAO L . A novel current and power equalization method of parallel pick-up modules in ICPT system ［C］// 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems （ICEMS）， August 11-14 ， 2019 ， Harbin， China ： 1 - 5 .

OH H ， OH S ， KOO H ， et al . Mid-range wireless power transfer system for various types of multiple receivers using power customized resonator ［J］. IEEE Access ， 2021 ， 9 ： 45230 - 45241 .

FU M F ， ZHANG T ， ZHU X N ， et al . Compensation of cross coupling in multiple-receiver wireless power transfer systems ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2016 ， 12 （ 2 ）： 474 - 482 .

JAYALATH S ， KHAN A . Robust optimization of a wireless power transfer coupler against manufacturing and fabrication tolerances ［J］. IEEE Open Journal of Power Electronics ， 2023 ， 4 ： 776 - 790 .

王维，曾振炜，王劼忞，等 . 输电杆塔无线供电系统非均匀多米诺单元性能分析与优化［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 17 ）： 4315 - 4325 .

WANG Wei ， ZENG Zhenwei ， WANG Jiemin ， et al . Performance analysis and optimization of non-uniform domino unit in wireless power supply system of transmission tower ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 17 ）： 4315 - 4325 .

杨金明，邓梓颖，孙杰杉 . 一种动态无线电能传输系统的线圈切换方法［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 11 ）： 198 - 203 .

YANG Jinming ， DENG Ziying ， SUN Jieshan . Coil switching method for dynamic wireless power transfer system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 11 ）： 198 - 203 .

GU Y ， WANG J A ， LIANG Z Y ， et al . A wireless in-flight charging range extended PT-WPT system using S/single-inductor-double-capacitor compensation network for drones ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 10 ）： 11847 - 11858 .

ZHU G W ， DONG J N ， GRAZIAN F ， et al . A parameter recognition-based impedance tuning method for SS-compensated wireless power transfer systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 11 ）： 13298 - 13314 .

JIA Y H ， WANG Z H ， TANG C S ， et al . An efficiency improvement method for the small air gap wireless power transfer system with variable parameters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 11 ）： 13443 - 13453 .

王付胜，杨金涛，范政，等 . 轻载工况下基于效率优化的双向无线电能传输系统半桥调制策略［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-06-20 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230234 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230234 .

WANG Fusheng ， YANG Jintao ， FAN Zheng ， et al . Half-bridge modulation strategy for bidirectional wireless power transmission system based on efficiency optimization under light load conditions ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-06-20 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230234 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230234 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

新型变压比压缩空气储能系统及其运行方式

基波—谐波双通路并行感应式能量与信号同步传输技术

串/串补偿型无线电能传输系统的建模分析