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电动汽车驱动 多物理场耦合 ★ 5.0

单开关逆变器驱动的耦合不敏感感应式电能传输系统

Coupling-Insensitive Inductive Power Transfer System Driven by Single-Switch Inverter

作者 Yifan Zhao · Yifan Jiang · Ziyang Xu · Haoyu Wang · Minfan Fu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 感应电能传输系统 单开关谐振逆变器 耦合不敏感性 零电压开关 输出功率稳定
语言:

中文摘要

本文致力于提高感应电能传输(IPT)系统的耦合不敏感性。与以往专注于在初级侧建立稳定电源(例如通过全桥逆变器)的研究不同,本文利用单开关谐振逆变器的负载敏感特性,使系统在耦合条件变化时实现更高的稳定性。此外,本文并非将逆变器和补偿耦合器分开设计,而是将整个系统视为一个超高阶谐振变换器。通过简化,对现有的逆变器解析模型进行修改,以充分挖掘实现与耦合无关的零电压开关以及在参数变化时具备高鲁棒性的设计潜力。修改后的模型还填补了单开关IPT系统整体建模方面的空白。在实验中,设计了一个60 W的样机,当耦合系数在0.085至0.17之间变化时,输出功率波动维持在12%,峰值效率达到89.12%。

English Abstract

This article is devoted to improving the coupling insensitivity of inductive power transfer (IPT) systems. Unlike previous studies that focused on establishing a stable source on the primary side (e.g., through a full-bridge inverter), this article leverages the load-sensitive characteristics of a single-switch resonant inverter to achieve a more stable system under varying coupling conditions. In addition, instead of designing the inverter and compensated coupler in a decoupled manner, the whole system is viewed as an ultrahigh-order resonant converter. Through simplification, the existing analytical inverter model is modified to fully explore the design potential for coupling-independent zero voltage switching and high robustness under parameter variations. The modified model also fills the gap in the holistic modeling of single switch IPT systems. In the experiment, a 60 W prototype is designed, when the coupling coefficient varies from 0.085 to 0.17, the output power maintains a fluctuation of 12%, with peak efficiency reaching 89.12%.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于单开关逆变器的耦合不敏感无线电能传输技术具有重要的战略价值。该技术通过创新性地利用单开关谐振逆变器的负载敏感特性,在耦合系数变化一倍的情况下仍能将输出功率波动控制在12%以内,这为我们在储能系统和电动汽车充电领域的产品创新提供了新思路。

在储能系统应用方面,该技术可显著提升模块化储能单元的灵活性。传统有线连接在电池模组更换和维护时存在接触磨损、接插件老化等问题,而这种耦合不敏感的无线传输方案能够容忍较大的位置偏差,特别适合集装箱式储能系统中电池模组的即插即用和热插拔场景。单开关拓扑结构相比全桥逆变器大幅简化了电路复杂度,降低了系统成本和故障率,这与我们追求高可靠性、长寿命的储能产品理念高度契合。

在电动汽车充电业务中,该技术的耦合鲁棒性能够有效应对车辆停放位置的不确定性,降低对精确对准的要求,提升用户体验。89.12%的峰值效率虽然与我们现有有线充电产品相比仍有差距,但考虑到无线传输的便利性,在特定应用场景下具有商业价值。

技术挑战主要集中在功率等级扩展和效率提升方面。当前60W的原型功率远低于我们光储充产品的典型需求,需要验证该技术在千瓦级乃至兆瓦级应用中的可行性。建议我们的研发团队关注其超高阶谐振建模方法,评估与现有逆变器技术平台的兼容性,探索在分布式光伏微电网和移动储能设备中的应用潜力。