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一种基于高频罐型铁氧体磁芯松耦合变压器的新型同时无线传能与数据传输系统设计与分析
Design and Analysis of a Novel Simultaneous Wireless Power and Data Transfer System With a High-Frequency Tank-Type Ferrite Core Loosely-Coupled Transformer
| 作者 | Yujing Guo · Xiang Xu · Ping Jin · Tianrui Zhou · Gang Lei · Jianguo Zhu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年3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 | 四绕组无线电能与数据传输系统 高频罐型铁氧体磁芯松耦合变压器 解析面积乘积设计法 高频电路模型 实验验证 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种采用高频罐式铁氧体磁芯松耦合变压器(LCT)的四绕组同时无线功率与数据传输(SWPDT)系统。针对该松耦合变压器,提出了一种完整的解析面积乘积(AP)设计方法,该方法同时考虑了边缘效应和趋肤效应,以优化同时进行功率和数据传输的配置。建立了整个同时无线功率与数据传输系统的高频电路模型,并采用解析方法计算了功率/数据通道中的电感参数和电压增益。在模型中引入了互感和交流电阻系数,以表征松耦合变压器绕组的高频效应。搭建了同时无线功率与数据传输系统的实验样机平台。通过仿真和实验结果验证了完整解析面积乘积设计方法的准确性以及系统电压增益解析计算结果的正确性。
English Abstract
This paper proposes a four-winding simultaneous wireless power and data transfer (SWPDT) system with a high-frequency tank-type ferrite core loosely coupled transformer (LCT). A full analytical area product (AP) design method is presented for the LCT, which accounts for both edge effects and skin effects to optimize the configuration for simultaneous power and data transmission. The high-frequency circuit model of the whole SWPDT system is set up, and the inductance parameters and the voltage gain in the power/data channel are calculated using an analytical method. The cross-inductance and AC resistance factor are introduced in the model to characterize the high-frequency effect of the LCT winding. An experimental prototype platform for the SWPDT system is constructed. The accuracy of the full analytical AP design method and the system voltage gain analytical calculation results are verified by simulation and experimental results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项四绕组同步无线电能与数据传输(SWPDT)技术具有显著的应用价值。该技术采用高频罐式铁氧体磁芯松耦合变压器,实现了电能传输与数据通信的集成化,这与我们在储能系统、电动汽车充电及分布式能源管理领域的战略布局高度契合。
在储能系统方面,该技术可优化模块化电池管理架构。传统储能系统中,电池模组间的电力传输和数据采集需要独立的线缆系统,增加了系统复杂度和故障点。采用SWPDT技术后,可实现电池模组间的无线能量均衡与状态监测的一体化,特别适用于大规模储能电站中难以布线的场景,降低运维成本并提升系统可靠性。
对于光伏逆变器和组串式系统,该技术为智能组件级电力电子(MLPE)提供了新思路。通过无线方式实现组件级功率优化器与监控系统的集成,可简化光伏阵列的安装工艺,提升系统防水防尘性能,这在分布式光伏和复杂屋顶应用中优势明显。
论文提出的全解析面积乘积(AP)设计方法,充分考虑了边缘效应和趋肤效应,为高频磁性元件的优化设计提供了理论基础。这对我们开发高功率密度、高效率的电力电子设备具有参考价值。然而,技术产业化仍面临挑战:松耦合变压器的传输效率、电磁兼容性、成本控制以及与现有电力系统的标准化接口等问题需要进一步验证。
建议我们的研发团队关注该技术在中小功率场景的应用可行性,特别是在电动汽车无线充电与车联网数据传输融合、户用储能系统智能化升级等方向开展预研工作。