学术简报｜用于混合储能系统供电的无线电能传输技术效率优化策略研究

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摘要

北京交通大学电气工程学院的研究人员耿宇宇、杨中平、林飞、王义，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，混合储能系统具有高功率密度和高能量密度的双重优势，但是很少有研究考虑混合储能系统的无线充电策略设计，本文考虑无线电能传输技术特性，优化了混合储能系统的功率分配策略。

首先，给出无线电能传输系统对混合储能系统充电的电路，补偿拓扑采用原边电感/电容/电容方式-副边串联电容方式。这种补偿拓扑具有恒定的二次电压输出，如果适当调整混合储能系统的功率，即可改变无线电能传输系统的等效负载，使其达到最优值，从而维持系统最优效率。其次，优化设计了混合储能系统的功率分配方式，提出混合储能系统的无线充电策略。这种策略既能满足系统能量输出的要求，又能保证系统高效工作。最后，通过实验验证了上述方法的可行性。

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术因为通过非接触方式供电，没有物理上的电气接触，所以供电设备可以避免恶劣环境影响，已经发展为一个新型的供电模式。WPT技术供电方式灵活，可以静止式充电，也可以移动式供电，相关技术已经在电动车辆上得到了关注和应用。

在车载储能系统中，电池/超级电容混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）由于兼具高能量和高功率密度的优点，引起了人们的关注。本文考虑混合储能系统作为无线电能传输系统的用电负载，以有轨电车为例给出了充电拓扑，如图1所示。

地面变流器主要由直流电源和逆变器组成，线圈及耦合机构包括原边线圈、副边线圈及补偿环节，车载变流器包括整流器和直流变换器，还有由超级电容组和电池组构成的混合储能负载。不同的负载对WPT系统特性有不同的影响。

目前，WPT技术研究中通常采用电池负载，也有部分研究考虑超级电容负载，充电方案的提出是基于相应的负载模式。

为了满足系统工作效率和负载能量需求的传输要求，文献[11]提出一个最大的能量效率跟踪方法，整流器后的直流变换器控制恒压输出，输入侧的逆变器调整输入功率从而跟踪系统的最大效率。文献[12]提出一种基于LCL补偿方式的双边控制方案，以提高为电池充电的系统效率。系统效率和负载能量需求是两个控制目标，所以需要两个控制环节，通常为原边逆变器和副边直流变换器，因此这些方法都需要原边和副边双端进行控制调节。

图1  有轨电车混合储能系统无线充电结构

对于HESS在WPT系统中的应用，文献[13]基于多次无线充电并考虑实际应用情况设计了混合储能系统的容量配置，其中超级电容是通过直流变换器直接与电池连接的。文献[14]提出电动汽车的混合储能充电方案及主电池恒流充电的功率控制方法，超级电容同样是通过直流变换器连接到电池上。但是上述文献没有研究效率的优化控制。

本文基于具有恒压输出特性的无线电能传输系统提出了混合储能负载的充电策略。利用HESS和合理的功率分配策略，可以使线圈输出电阻维持在最优负载点，由于补偿拓扑具有二次侧恒压输出的特点，调节输出功率可以维持最优工作点。功率调节环节均在副边实现，避免了原副边的无线通信，同时满足了负载传输功率和系统最优传输效率的要求。

本文首先在系统模型中给出基于HESS负载的WPT电路。根据电路等效模型推导出系统参数的数学关系式，并给出了实现最大效率运行时的最优负载及对应的最优工作点。其次，进行控制策略分析，总结了典型的双边控制方法，并提出本文采用的功率分配方式和控制策略。在实验验证部分，介绍了实验平台，并进行控制策略的实验验证。最后得出本文结论。

图10  WPT-HESS系统实验平台

总结

本文给出了采用混合储能装置作为无线电能传输系统负载的充电拓扑结构。考虑超级电容采用恒流充电，提出电池在额定功率下吸收剩余功率的分配策略；并基于这种功率分配策略，设计系统控制方式。该控制方式不仅可以实现系统充电功率恒定，而且可以保持系统工作在最高效率点，并且避免了原副边的无线通信，可靠性高。最后，通过实验验证了该控制方法的可行性。

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