混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高功率密度和高能量密度的雙重優(yōu)勢(shì)，但是很少有研究考慮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)線充電策略設(shè)計(jì)，本文考慮無(wú)線電能傳輸技術(shù)特性，優(yōu)化了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配策略。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“電工技術(shù)學(xué)報(bào)” ID：dgjsxb 作者：耿宇宇、楊中平等）

首先，給出無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電的電路，補(bǔ)償拓?fù)洳捎迷呺姼?電容/電容方式-副邊串聯(lián)電容方式。這種補(bǔ)償拓?fù)渚哂泻愣ǖ亩坞妷狠敵觯绻m當(dāng)調(diào)整混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，即可改變無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效負(fù)載，使其達(dá)到最優(yōu)值，從而維持系統(tǒng)最優(yōu)效率。其次，優(yōu)化設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配方式，提出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)線充電策略。這種策略既能滿(mǎn)足系統(tǒng)能量輸出的要求，又能保證系統(tǒng)高效工作。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的可行性。

無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)因?yàn)橥ㄟ^(guò)非接觸方式供電，沒(méi)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(gè)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(dòng)式供電，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)車(chē)輛上得到了關(guān)注和應(yīng)用。

在車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池/超級(jí)電容混合儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)作為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的用電負(fù)載，以有軌電車(chē)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(chē)載變流器包括整流器和直流變換器，還有由超級(jí)電容組和電池組構(gòu)成的混合儲(chǔ)能負(fù)載。不同的負(fù)載對(duì)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(jí)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(mǎn)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(gè)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(gè)控制目標(biāo)，所以需要兩個(gè)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(chē)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)線充電結(jié)構(gòu)

對(duì)于HESS在WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]基于多次無(wú)線充電并考慮實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置，其中超級(jí)電容是通過(guò)直流變換器直接與電池連接的。文獻(xiàn)[14]提出電動(dòng)汽車(chē)的混合儲(chǔ)能充電方案及主電池恒流充電的功率控制方法，超級(jí)電容同樣是通過(guò)直流變換器連接到電池上。但是上述文獻(xiàn)沒(méi)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(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提出了混合儲(chǔ)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(wú)線通信，同時(shí)滿(mǎn)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(shí)的最優(yōu)負(fù)載及對(duì)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(tái)，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。

總結(jié)

本文給出了采用混合儲(chǔ)能裝置作為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮超級(jí)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(wú)線通信，可靠性高。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

原標(biāo)題:學(xué)術(shù)簡(jiǎn)報(bào)｜用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)供電的無(wú)線電能傳輸技術(shù)效率優(yōu)化策略研究