無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)因?yàn)橥ㄟ^非接觸方式供電，沒有物理上的電氣接觸，所以供電設(shè)備可以避免惡劣環(huán)境影響，已經(jīng)發(fā)展為一個新型的供電模式。WPT技術(shù)供電方式靈活，可以靜止式充電，也可以移動式供電，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在電動車輛上得到了關(guān)注和應(yīng)用。

在車載儲能系統(tǒng)中，電池/超級電容混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）由于兼具高能量和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的關(guān)注。本文考慮混合儲能系統(tǒng)作為無線電能傳輸系統(tǒng)的用電負(fù)載，以有軌電車為例給出了充電拓?fù)洌鐖D1所示。

地面變流器主要由直流電源和逆變器組成，線圈及耦合機(jī)構(gòu)包括原邊線圈、副邊線圈及補(bǔ)償環(huán)節(jié)，車載變流器包括整流器和直流變換器，還有由超級電容組和電池組構(gòu)成的混合儲能負(fù)載。不同的負(fù)載對WPT系統(tǒng)特性有不同的影響。

目前，WPT技術(shù)研究中通常采用電池負(fù)載，也有部分研究考慮超級電容負(fù)載，充電方案的提出是基于相應(yīng)的負(fù)載模式。

為了滿足系統(tǒng)工作效率和負(fù)載能量需求的傳輸要求，文獻(xiàn)[11]提出一個最大的能量效率跟蹤方法，整流器后的直流變換器控制恒壓輸出，輸入側(cè)的逆變器調(diào)整輸入功率從而跟蹤系統(tǒng)的最大效率。文獻(xiàn)[12]提出一種基于LCL補(bǔ)償方式的雙邊控制方案，以提高為電池充電的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)效率和負(fù)載能量需求是兩個控制目標(biāo)，所以需要兩個控制環(huán)節(jié)，通常為原邊逆變器和副邊直流變換器，因此這些方法都需要原邊和副邊雙端進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

圖1 有軌電車混合儲能系統(tǒng)無線充電結(jié)構(gòu)

對于HESS在WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]基于多次無線充電并考慮實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了混合儲能系統(tǒng)的容量配置，其中超級電容是通過直流變換器直接與電池連接的。文獻(xiàn)[14]提出電動汽車的混合儲能充電方案及主電池恒流充電的功率控制方法，超級電容同樣是通過直流變換器連接到電池上。但是上述文獻(xiàn)沒有研究效率的優(yōu)化控制。

本文基于具有恒壓輸出特性的無線電能傳輸系統(tǒng)提出了混合儲能負(fù)載的充電策略。利用HESS和合理的功率分配策略，可以使線圈輸出電阻維持在最優(yōu)負(fù)載點(diǎn)，由于補(bǔ)償拓?fù)渚哂卸蝹?cè)恒壓輸出的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)輸出功率可以維持最優(yōu)工作點(diǎn)。功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)均在副邊實(shí)現(xiàn)，避免了原副邊的無線通信，同時滿足了負(fù)載傳輸功率和系統(tǒng)最優(yōu)傳輸效率的要求。

本文首先在系統(tǒng)模型中給出基于HESS負(fù)載的WPT電路。根據(jù)電路等效模型推導(dǎo)出系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并給出了實(shí)現(xiàn)最大效率運(yùn)行時的最優(yōu)負(fù)載及對應(yīng)的最優(yōu)工作點(diǎn)。其次，進(jìn)行控制策略分析，總結(jié)了典型的雙邊控制方法，并提出本文采用的功率分配方式和控制策略。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分，介紹了實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后得出本文結(jié)論。

圖10 WPT-HESS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

總結(jié)

本文給出了采用混合儲能裝置作為無線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]超級電容采用恒流充電，提出電池在額定功率下吸收剩余功率的分配策略；并基于這種功率分配策略，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方式。該控制方式不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電功率恒定，而且可以保持系統(tǒng)工作在最高效率點(diǎn)，并且避免了原副邊的無線通信，可靠性高。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的可行性。