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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

一种适用于无线功率传输应用的通用耦合和/或解耦集成电感器优化方法

A Generic Coupled and/or Decoupled Integrated Inductors Optimization for WPT Applications

作者 Peyman Darvish · Hui Cao · Muhammad Fasih Uddin · Houqing Wang · Yue Zhao
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年6月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 无线电力传输 集成电感 优化方法 解耦 效率
语言:

中文摘要

在无线电能传输(WPT)系统中使用集成电感器具有诸多优势,例如减少铁氧体材料的使用、降低成本、缩小变换器尺寸以及提高功率密度。本文提出了一种适用于WPT系统中集成电感器的优化方法,该方法不仅可应用于需要完全解耦的直流 - 直流变换器,还可用于补偿电感器,能将电能导向所需线圈的同时与其他线圈解耦。为加速优化过程,本文提出了一种改进的集总环路模型,以实现为不同的WPT应用同时设计多个解耦和/或耦合的集成电感器。以双侧LCC拓扑结构为例进行研究,优化设计可使发射端和接收端的附加集成电感器的自感分别降低26%和24%。此外,该方法能显著降低不需要的互感耦合及其波动,同时使所需的互感耦合最大化。另外,本文还引入了一种简单的电容调谐方法,以避免逆变器中出现陷波现象。所提出的方法在实验测试平台上得到了验证,实现了最高96.5%的直流 - 直流效率。

English Abstract

Using integrated inductors in a wireless power transfer (WPT) system offers various advantages, e.g., reduced ferrite material usage, cost, converter size, and increased power density. This article presents an optimization method for the integrated inductors in WPT systems, which can be applied to not only dc–dc converters requiring complete decoupling, but also compensation inductors where power is directed to desired coils while decoupled from other coils. A modified lumped loop model is proposed to accelerate the optimization process to enable simultaneous design of multiple decoupled and/or coupled integrated inductors for diverse WPT applications. Using a double-sided LCC configuration as a case study, the optimized design can achieve a 26% and 24% self-inductance reduction for additional integrated inductors on transmitter side and receiver side, respectively. Moreover, it significantly reduces undesired cross-coupling and its fluctuation, while maximizing the desired cross-coupling. In addition, a simple capacitor tuning is introduced to avoid notch phenomena in the inverter. The proposed method is validated in an experimental test setup, achieving a maximum dc–dc efficiency of 96.5%.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项集成电感优化技术对我们的无线充电和电力电子产品线具有重要的战略价值。该技术通过优化耦合/解耦集成电感设计,实现了26%的自感降低和96.5%的直流效率,这与我们在光伏逆变器和储能系统中追求的高功率密度、高效率目标高度契合。

在产品应用层面,该技术可直接赋能我们的电动汽车充电业务。随着电动汽车市场快速增长,无线充电技术正成为差异化竞争的关键。论文提出的双侧LCC拓扑优化方法能够显著减少磁性材料用量、降低成本并缩小设备体积,这对于我们开发更具市场竞争力的无线充电桩产品至关重要。同时,该技术在储能系统的DC-DC变换器中也有应用潜力,通过集成电感设计可提升系统功率密度,这对于空间受限的户用储能和工商业储能场景尤为重要。

技术成熟度方面,论文已完成实验验证并达到较高效率指标,但从实验室到产品化仍需解决电磁兼容、热管理和长期可靠性等工程挑战。特别是在高功率应用场景下,集成电感的磁芯损耗和温升控制需要深入研究。

战略机遇在于,该技术的通用优化方法适用于多种WPT拓扑,能够加速我们在不同功率等级产品的研发周期。建议我们的研发团队重点关注该技术在10-50kW充电功率段的适配性研究,并评估与现有逆变器平台的技术协同可能性,以形成从发电、储能到用电的全链条技术优势。