2017年, 第15卷, 第2期　刊出日期：2017-03-30

  

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  电力电子技术在交通中的应用专辑-主编述评

  汤天浩,夏超英

  电源学报. 2017, 15(2): 1-1.

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  21世纪全球面临着能源短缺、环境污染与气候变化的重大挑战，节能减排与新能源开发利用是解决上述问题的重要的有效措施。基于国家能源领域中长期科技发展规划纲要，汽车、火车、船舶和飞机等交通工具的能源动力体系面临转型升级和技术革新，促进交通运输向节能、环保和更加安全的方向发展。 “电力电子技术在交通中的应用”专辑旨在汇集交通领域中关于电力电子、变频电源与智能运动的新技术和新方法，总结和交流学术研究成果，推进技术进步与创新。
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  多电飞机高压直流供电系统稳定性研究综述

  李永东,章玄,许烈

  电源学报. 2017, 15(2): 2-11. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.002

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  高压直流供电系统是未来多电飞机供电系统的重要方案之一，但其中大量电力电子装置的应用使得负载体现很强的负阻抗效应，严重影响了系统的稳定性。此外，直接互联的集成方法也经常导致其稳定性问题面临挑战，传统的李雅普诺夫稳定判据难以分析复杂直流系统。本文总结了5种小信号阻抗分析和4种大信号分析方法，使得针对复杂直流系统的稳定性分析更简便和有效。相对于无源阻尼法，有源阻尼的稳定性补偿方法不增加元器件，得到了国内外学者的广泛研究。根据补偿信号的构成形式，将有源阻尼法分为线性补偿和非线性补偿两类，并详细综述了两类方法中补偿信号的构成和补偿信号注入的位置，进一步比较了两类方法的优缺点。
电动汽车与电力机车
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  基于混合电力推进的小型船舶能效改进

  N. Bennabi,H. Menana,J. F. Charpentier,J. Y. Billard,B. Nottelet

  电源学报. 2017, 15(2): 12-23. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.012

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  未来小型船舶建造的目标之一是减少船舶排放，以符合国际海事组织（IMO）关于温室气体和污染物排放现行和将来的规定。首先介绍了船舶对环境影响的背景和相关规章，指出电力推进，特别是混合动力推进系统（HPS）是减少小型船舶环境影响的具有前景的解决方案。小型船舶常常在人口密集区域附近使用，这些区域是减少污染和排放的非常关键的区域。然后提出了几种小型船舶混合动力和电力推进系统，包括综述了对未来船舶建造的挑战，以及描述了可能用于小型船舶的HPS拓扑结构。最后介绍了HPS的主要特征，并给出了小型电力混合船舶的实例。
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  一种适用于航空DC/DC变换器短路限流的控制策略

  任永宏,刘硕,谢敏,张方华

  电源学报. 2017, 15(2): 24-30,39. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.024

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  针对航空变换器在负载短路时需要输出3倍额定电流的要求，提出了一种适用于航空DC/DC变换器短路限流的控制策略。在传统电压-电流双环控制DC/DC变换器的基础上，引入输出电压前馈控制，即将输出电压作为前馈信号，与电流控制器的输出信号相加共同作为调制信号与三角载波交截。通过合理设计前馈系数，保证电流控制器的输出电压在负载短路前后基本保持不变，旁路了PI补偿网络的延时影响，使得短路瞬间占空比即时修正，有效抑制了短路瞬间的电流冲击。小信号建模分析表明，输出电压前馈的引入基本不会影响原双环控制系统的稳态和动态性能。仿真和实验均验证了该控制策略的有效性。
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  应用于船舶中压直流系统的电力电子配电变压器

  王世恩,郑泽东,李永东

  电源学报. 2017, 15(2): 31-39. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.031

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  中压直流系统适合应用于大型船舶，能够减少系统体积重量，提升运行能效。但是目前直流断路器和直流配电研究进展缓慢，限制了直流系统的应用。电力电子变压器由电力电子变换器和高频变换器组成，拥有高效率和高功率密度的特点，适用于船载的配电应用。在分析对比了几种直流变压器拓扑的基础上，提出将串联输入并联输出（ISOP）双主动桥（DAB）变换器用作船载配电变压器，研究了该拓扑的调制和控制方案，并通过实验进行了验证。
电动汽车与电力机车
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  轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势

  郭其一,康劲松,冯江华,周桂法

  电源学报. 2017, 15(2): 40-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.040

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  从蒸汽机车的出现到现在的交流传动电力牵引，轨道交通车辆牵引控制技术随着牵引动力的发展已经经历了2个世纪的变革与发展，其技术发展从以牵引装置为中心，发展到现在的以平台化技术为中心的高性能控制技术，实现牵引控制的通用化、标准化和个性化。本文就此发展过程、现状和趋势做了比较完整的讨论。
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  高速磁浮轨道线形快速检测系统关键部件研发

  袁亦竑,罗雁云,叶丰,曾国锋,朱志伟,王国强

  电源学报. 2017, 15(2): 46-51. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.046

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  文章介绍了用于上海高速磁浮示范线的新一代轨道检测设备的硬件系统、关键设备及其研制重点。包括轨道检测设备的总体设计、主要技术参数和总体架构,关键部件——非标数模转换卡和信号调理卡的技术方案设计,以及配套数据采集控制软件的设计等。经过八年努力，同济大学（国家）磁浮交通工程技术研究中心的研发团队最终完成了轨道线形检测专用关键部件及新一代轨道检测设备的研制。
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  高速磁浮列车冗余供电方法

  廖志明,林国斌,赵华华

  电源学报. 2017, 15(2): 52-58. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.052

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  高速磁浮列车对车辆供电可靠性要求高。为了满足车辆供电的要求，在现有高速常导磁浮列车车载供电方式基础上，提出了一种新的用于高速磁浮车辆上的冗余供电方法。通过蓄电池供电与感应线圈供电相结合的方式，减少了地面供电设备数量。在每节车辆上设置多个车载电网、每个电网上并联接多个相同的供电设备同时向车辆用电设备供电。通过供电系统的多重冗余设计保证车辆供电的可靠性。该方法满足任意单一供电设备或一定分布的多个供电设备的故障都不会影响车辆的正常运行，即使在任意一个电网整体失效的情况下也能保证列车安全停车到预定的停车位置。
逆变器与UPS
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  面向复合故障的牵引逆变器四桥臂容错控制

  朱琴跃,管蕾,谭喜堂,刘文龙,陶灵

  电源学报. 2017, 15(2): 59-66. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.059

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  针对牵引变流器中NPC型三电平逆变器在一相或两相桥臂发生复合故障后的容错控制问题，在给出三电平逆变器四桥臂容错拓扑及其控制方式的基础上，通过分析逆变器主桥臂冗余矢量容错能力，归纳出复合故障类型，并就不同类型故障提出相冗余与矢量冗余相结合的容错控制策略，最终通过仿真建模对复合故障容错控制策略进行验证。仿真结果表明，三电平逆变器两相桥臂同时发生故障时可实现自动容错，故障后系统仍可全额或降额持续运行，验证了所提控制策略的有效性。
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  基于SiC MOSFET的辅助变流器应用研究

  谢佳季,游小杰,郭希铮,武晶晶,李志坚

  电源学报. 2017, 15(2): 67-76,178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.067

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  辅助变流器是轨道交通车辆的重要部件，采用SiC MOSFET作为开关器件能整体提升变流器功率密度。将原有变流器系统完成以SiC MOSFET为开关器件的功率模块整体替代，对周边无源器件进行优化设计；根据SiC MOSFET器件特性设计一款驱动电路，并进行性能测试；针对辅助变流器主电路拓扑，建立各部分损耗模型，通过仿真进行验证，并对前后系统进行损耗对比。
电动汽车与电力机车
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  有轨电车车载混合储能系统效率优化控制

  韦绍远,姜久春,张维戈,程龙

  电源学报. 2017, 15(2): 77-84. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.077

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  轨道交通迅猛发展对电力能源的需求越来越大，为减少能耗、降低运营成本，储能技术在轨道交通领域的应用成为近年来研究的热点。从提高车载储能系统效率的角度，建立了混合储能系统的损耗模型，包括锂离子电池损耗、超级电容损耗、双向DC/DC变换器损耗。基于混合储能系统损耗模型，推导了损耗最小和储能元件安全工作区间的优化方程，提出了一种效率优化控制方法。最后，Matlab仿真结果表明，与阈值法相比，经过优化控制之后混合储能系统全程总损耗明显减小，车辆单程运行能量效率明显提高。
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  一种三相高功率ZCS-Buck型电动汽车车载充电器研究

  王议锋,李微

  电源学报. 2017, 15(2): 85-93. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.085

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  本文提出了一种基于交错并联技术和Buck型三相单开关整流电路的零电流软开关(zero-current-switching, ZCS)电动汽车车载充电电路。采用多谐振结构保证Buck电路中的IGBT实现ZCS，续流二极管实现零电压软开关(zero-voltage-switching, ZVS)，满足车载充电器(onboard charger, OBC)大功率、高效率、高功率密度的需求。论文分析了电路的工作原理，重点研究了电池负载情况下的ZCS实现条件，根据理论分析进行了硬件参数设计。此外，设计试制了一台8.5kW样机并进行了实验研究，并且利用电阻负载模拟电池特性，通过切换负载阻值模拟了三段式充电过程，结果表明本文设计的OBC系统在整个三段式充电过程均能实现ZCS，并且能够实现三个充电阶段的自动切换，满足蓄电池充电需求。
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  计及磁饱和的车用永磁同步电机MTPA控制技术

  李旭东,王硕,康劲松

  电源学报. 2017, 15(2): 94-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.094

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  永磁同步电机（PMSM）具有较高的效率和功率密度，在电动汽车驱动系统中广泛应用。电机的d、q轴电感是设计控制系统的重要参数,但重载情况下受磁饱和及交叉饱和影响严重。传统控制技术忽略磁饱和效应，导致转矩控制的精确性不足。采用有限元法分析电机负载时的磁饱和情况，计算考虑磁饱和及交叉饱和的d、q轴电感参数。以此为基础，拟合d、q轴电感和电流关系。设计计及磁饱和的最大转矩电流比（MTPA）控制，使d、q轴参考电流计算中使用的电感随电机电流变化。通过对比，证明计及磁饱和的MTPA控制能够实现输出转矩的精确控制，提高永磁同步电机的动态响应性能。
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  基于XC2268N的纯电动汽车整车控制器设计

  陈春明,夏超英

  电源学报. 2017, 15(2): 101-108. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.101

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  在一款纯电动厢式货车的关于稳定运行和故障保护的技术标准下，基于英飞凌16位单片机XC2268N设计了一款应用于纯电动汽车的整车控制器。该设计方案在硬件上采用若干模块化电路搭设系统框架，实现信息采集、驱动输出和CAN网络等功能；在软件上设计了一种层次式架构，驱动层代码提供与硬件配置隔离的软件接口，调度层调用驱动软件以实现故障诊断与保护和安全运行等基本任务，核心层通过任务安排实现控制策略，实现代码的高鲁棒性和高可移植性。软件通过了依照MISRA-C标准进行的静态测试，在使用模拟测试平台进行的集成测试和功能测试，以及实车路测实验验证了整车控制器的有效性，在典型的工况循环下对整车运行性能进行了评估。
其他
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  基于LCL-S型ICPT系统的恒流输出分析与控制

  国玉刚,李超群,崔纳新

  电源学报. 2017, 15(2): 109-114. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.109

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  针对电动汽车无线充电的需求，提出了一种兼顾调控效果与传输效率的恒流控制方法。对LCL-S型的磁耦合谐振无线电能传输系统建立模型，对其进行工作特性分析，进而根据副边电流输出特性及传输效率特性曲线确定了系统高效运行的频率区间，将此区间作为系统恒流工作的调频区。并对比各种功率控制方式的优缺点，进而提出了变频控制与移相调压相结合的恒流控制策略。实验设计了PI闭环控制程序，通过实验验证了负载变化时的恒流控制效果。实验表明该控制策略基本实现了无静差，无超调的快速响应控制。
电动汽车与电力机车
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  混合动力城市客车车载DC/DC辅助电源设计

  刘斌,林小峰,宋绍剑,贺德强,李先旺

  电源学报. 2017, 15(2): 115-120. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.115

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  本文主要讨论了一种采用新型Sic器件及全桥拓扑的混合动力城市客车车载DC/DC辅助电源的总体设计方案。针对城市客车车载电源低压大电流的应用场合，阐述了一种基于倍流整流电路的DC/DC变换器的原理及工作模式，研究了其主电路参数的设计方法，控制策略及其数字化实现。研制了3kW工业样机，并进行实验。实验结果表明，该DC/DC电源实现了全桥移相控制，满载效率达96%，所有性能参数完全满足混合动力城市客车DC/DC辅助电源的要求。
电池及充电技术
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  基于半导体制冷技术的动力电池热管理系统研究

  张玉龙,杨世春,邓成,郭斌,杨海圣

  电源学报. 2017, 15(2): 121-127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.121

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  研究了一种利用半导体制冷技术的电池热管理系统。首先分析了电池的生热特性及传播规律，指出电池需要工作在合理的工作范围内，然后建立电池的热效应模型和半导体制冷模型，并对单体电池温度场进行了仿真和实验 ，实验表明了模型的正确性，并根据实验结果对模型进行了校正，使模型更符合实际情况。最后对电池组半导体制冷热管理系统进行了仿真。结果表明半导体制冷片对单体温度场和电池组温度场都能够进行有效的调节，使电池工作在合适的温度范围内。
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  锂电池健康状态估算方法综述

  张金龙,佟微,孙叶宁,李端凯,漆汉宏,魏艳君

  电源学报. 2017, 15(2): 128-134. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.128

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  电池管理系统(BMS, Battery Management System)是蓄电池储能技术中不可或缺的环节，而电池健康状态(State of Health, SOH)估算是BMS的重要功能之一。SOH可以为操作员提供电池实际可用容量及老化状态相关信息，进而为电池控制决策提供参考。本文介绍了锂电池的SOH的含义；阐述了导致锂电池老化、可用容量下降的原因；并着重对当前常见的蓄电池SOH估算方法进行了概括和分析，同时对各种SOH估算方法中存在的问题进行了探讨。
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  采用阶跃电流辨识电池参数时电流幅值的确定方法

  翟燕飞,何志超,杨耕,孙孝峰,刘旭

  电源学报. 2017, 15(2): 135-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.135

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  利用阶跃电流激励辨识动力电池动态特性模型参数时，其幅值将影响模型参数的辨识精度。针对这个问题，本文对这种动力电池动态特性模型参数辨识方法进行误差分析，提出了阶跃电流信号幅值的确定方法。该方法综合考虑了电池非线性特性和检测装置测量误差对参数辨识精度的影响，确定了参数相对误差与阶跃电流信号幅值之间的函数表达式，并且给出了幅值的确定流程。分析和实验验证了该方法的有效性。
储能控制及系统
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  一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器的研究

  刘红锐,杜春峰,陈仕龙,李园专,夏超英

  电源学报. 2017, 15(2): 142-147. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.142

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  为了快速有效的实现串联锂离子单体电池间的能量均衡，本文提出了一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器。此均衡器根据电池组的充放电状态采取两种不同的均衡策略：当电池组处于充电状态时，电池组中具有最高荷电状态的单体电池通过Cuk斩波电路被快速均衡放电；当电池组处于放电或静置状态时，电池组中具有最低荷电状态的单体电池通过Cuk斩波电路被快速均衡充电。均衡器拓扑电路原理简单、均衡电流连续、均衡电流可控性强、均衡效率高。最后对此均衡器进行了仿真实验，证明了此方案的可行性。
其他
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  发泡剂对空电池用阴极催化膜电性能的影响

  徐春波,隋鑫,丁建武

  电源学报. 2017, 15(2): 148-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.148

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  采用KHCO3、(NH4)2C2O4、偶氮二甲酰胺（AC）及K2SO4为发泡剂，PTFE为粘结剂制备了空电池用阴极催化膜。采用DSC及TG对发泡剂进行热分析，采用扫描电镜观察了不同发泡剂制备的阴极膜的表面形貌，采用阴极极化曲线分析了发泡剂对阴极膜催化性能的影响。结果表明：发泡剂对空气电极催化活性有重要影响，且KHCO3作为发泡剂制备的催化膜表现出最优的机械强度及电催化性能。
系统仿真、建模与控制
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  基于PNGV电路模型的航空钴酸锂电池内阻研究

  梁奇,于春梅,王顺利,刘力舟

  电源学报. 2017, 15(2): 153-158. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.153

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  对航空钴酸锂离子电池进行PNGV建模，通过模型的建立，我们可依据测试出的外部变量值来估算电池的内部状态变量。实验使用HPPC法（Hybrid Pulse Power Characterization）来获取锂电池在脉冲加载和过渡过程中的各项参数。最后通过MATLAB/Simulink对电池的PNGV等效模型进行仿真分析。研究表明：所选取的PNGV模型精度高，能真实的模拟电池充放电特性，在固定温度和已知SOC的情况下，模型参数能得到较为准确的估计。本实验结论可为锂电池的内部状态变量估算提供理论依据。
电池及充电技术
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  无线能量传输负载自适应的频率分叉边界控制

  闫啸宇,杨世春,何红,杨海圣,徐斌,刘治钢

  电源学报. 2017, 15(2): 159-165. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.159

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  无线能量传输技术是一种新型的电能传输方式，它是相对于传统的利用导线连接的电能传输方式而言的，是指电能从电源到负载的一种没有直接的电气接触的能量传输方式。解决了传统导线直接供电的缺陷，是一种有效安全的电能传输方法。目前无线能量传输通常使用补偿电容的工作方式使系统在发射端（原边）与接收端（副边）同时工作于谐振状态，以提高输出能力。前期实验发现无线能量传输系统的效率受等效负载的影响，选取合适的等效负载可以改善体统的效率。因此本文主要是研究负载对于系统效率和频率分叉的影响，设计一个负载自适应控制策略，提高系统的能量传输效率，并且保证不出现频率分叉现象。该研究将对无线能量传输系统的可靠设计具有重要指导意义。
电动汽车与电力机车
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  电磁感应式非接触电能传输技术研究综述

  高键鑫,吴旭升,高嵬,李广义

  电源学报. 2017, 15(2): 166-178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.166

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  非接触电能传输（CPT）技术可以使电气设备摆脱导线的束缚，可极大扩展电气设备的活动范围，提升特殊环境下供电的安全性能。针对目前CPT技术中应用较为广泛的电磁感应式非接触电能传输（ICPT）技术，首先论述了该技术的发展历程。然后以坡印廷矢量为理论基础，探讨了非接触供电技术的实现原理。将现有的CPT技术按实现原理进行了分类，将磁共振式非接触电能传输技术归入ICPT技术分类。系统性的分析了ICPT技术的主要技术难点，指出耦合器耦合系数低是ICPT技术的主要技术问题，其他问题是在该问题无法解决时采用其他技术弥补而产生的。最后，论述了ICPT系统的主要关键技术及现有解决方案。