一种新颖LCCC/S补偿的恒输出无线电能传输系统

恒流(CC)和恒压(CV)充电是锂电池的两种主要充电方式,但随着电池等效电阻在充电过程中逐渐非线性增大,无线充电系统要同时保持独立于负载的CV和CC充电模式面临着巨大的挑战。针对锂电池无线充电系统,提出了一种新型的LCCC/S拓扑结构,所提方法不仅能实现独立于负载的CV和CC充电,且在此两种充电模式下实现输入电流和输入电压零相位角;而且仅需两个开关互补控制,能在恒频下实现两种模式切换。最后,建立了在CC充电模式下3 A CC输出和在CV充电模式下48 V CV输出的验证装置,验证了所提LCCC/S补偿无线电能传输系统的可行性和合理性。     

基于LCL谐振补偿网络的副边自动切换充电模式无线电能传输系统研究与设计

为满足电池在无线充电过程中所需要的先恒流输出后恒压输出的充电需求,该文从电路本质特性出发,基于LCL谐振补偿网络结构,提出一种通过切换副边的谐振补偿网络参数完成恒流充电模式向恒压充电模式的自动切换方法。所提出的方法可以免去原、副边之间的无线通信,且不需要改变原边的输入电压和频率。该文以谐振补偿网络两个电感比值α=1条件下的LCL型谐振补偿结构为例,对所提出的设计方法进行了分析和验证,搭建了一套实验平台,实现了线圈距离在20cm条件下,输出功率为1k W,效率为92%,恒流输出为5V,恒压输出为205V的WPT系统。实验表明,应用所提方法,能够实现电池在无线充电的过程中先恒流输出后恒压输出的充电需求,且切换过程自动、稳定。     

基于频率切换实现电池恒流和恒压充电的LCC-S补偿WPT系统研究

无线电能传输WPT（wireless power transfer）系统具有安全、方便、美观等性能优势,已逐步渗入到人们的日常生活中。在电池充电应用中,通常期望WPT系统能够在零相角ZPA（zero phase angle）条件下实现负载无关的恒流和恒压充电功能。提出了一种基于频率切换的LCC-S补偿WPT系统及其参数设计方法,可使系统在2个不同的ZPA频率点分别实现负载无关的恒流和恒压充电输出,无需改变电路拓扑结构。设计的LCC-S补偿WPT系统接收侧仅有一个补偿电容,确保了WPT系统接收侧紧凑性。最后,搭建了一台充电电流和电压分别为3 A和50 V的实验样机,验证了本研究中WPT系统的合理性与实用性。     

基于单管电路的恒流恒压无线充电系统研究

针对目前单管逆变无线电能传输(IPT)系统无法通过开关频率的切换实现由恒流输出(CCO)到恒压输出(CVO)转换的问题.该文提出一种用于单管电路(SSC)的P-CLCL补偿网络.所提P-CLCL高阶恒流恒压补偿网络可使单管电路在开关频率为fCC时输出恒流,在开关频率为fCV时输出恒压,解耦了输出与负载的关系.该文还利用互感等效模型对系统进行建模,并分析该补偿网络在恒流输出及恒压输出时需要满足的电路参数条件;利用傅里叶分解详细给出一套适用于单管电路的等效不对称输入电压源波形的分析方法;在综合考虑零电压开通(ZVS)的实现、软开关裕度、开关管耐压大小的情况下,利用"Mathcad"画图的方法给出一套一次侧补偿电容的设计流程.最后,搭建一台25.2W的P-CLCL实验样机,通过仿真和样机的开闭环实验验证了理论分析的正确性.     

变结构LC-CLCL拓扑恒压恒流型电场耦合电能传输系统

该文提出一种变结构LC-CLCL拓扑电场耦合电能传输(electric-field coupled power transfer,ECPT)系统,可实现负载变化下的恒压或恒流输出,对电池类负载的稳定充电具有重要意义。首先,给出LC-CLCL补偿ECPT系统的基本结构及切换策略,并建立等效数学模型;然后,分析恒流、恒压及空载模式下的系统特性,建立恒压恒流实现条件,且能保证系统负载切除时自动进入低功耗状态,此基础上,给出系统参数设计方法;最后,搭建仿真和实验系统,在输入电压恒定情况下,实现1A的恒流输出,50V的恒压输出,验证所提方法的有效性和正确性。     

LCC-LCC/S自切换恒流-恒压复合型无线电能传输系统

为了解决蓄电池充电过程中的恒流过充或恒压欠充问题，该文提出一种LCC-LCC/S自切换恒流-恒压复合型无线电能传输系统。通过副边电力开关切换，该系统不仅可实现恒流-恒压输出，且能有效应对蓄电池充电过程中的各种异常工况；另外，在充电完成负载移除时，该系统能自动进入低功耗待机状态。首先，给出LCC-LCC/S自切换复合拓扑，分析恒压-恒流及零相角（ZPA）特性；其次，分析恒流-恒压切换点并验证其最优性；然后，通过分析充电过程中出现的副边缺失、负载短路、负载断路等异常工况，系统能通过开关切换有效应对以上异常工作情况，并且充电完成负载移除后系统能自动进入低功耗待机状态；接着，通过与目前研究较多的S-SP拓扑的系统特性进行对比，突出了LCC-LCC/S拓扑的优势；最后，搭建仿真和实验平台，实现最大电流为5.03 A、最大电压为48.92 V的高效率输出，验证了所提理论的正确性。     

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。     

串联谐振型WPT恒流恒压电池充电研究

为减少无线电能传输(WPT)电池充电系统的开关器件和无源元件数量,简化控制的复杂度,此处基于串/串(S/S)补偿的拓扑,提出通过切换两个固定工作频率实现电池的恒流恒压(CC-CV)充电,当运行于其中一个固定频率时,实现与负载无关的CC输出,运行于另一个固定频率时,实现与负载无关的CV输出,并给出了具体的参数设计方法来提升CV充电时的效率.该方法只需初次级简单的通讯用以切换工作频率,无需多余的开关器件和无源元件,成本低.在CC充电阶段输入阻抗呈阻性,几乎没有无功输入,在CV充电阶段输入阻抗呈感性,能够实现逆变器开关管零电压开关(ZVS).仿真与实验结果表明,所提方法能够满足电池的CC-CV充电要求.     

基于副边可变电容的IPT恒流恒压充电系统研究

为了减少基于感应电能传输技术的变补偿拓扑充电系统的开关器件和无源元件数量,同时保证系统恒压充电时有相对较高的效率,该文基于串/串并补偿拓扑,在副边电路增加一个交流开关和一个附加电容,通过切换开关的关断改变副边串联补偿电容,从而实现系统的恒流恒压切换。该方法无需原副边通信及复杂的控制电路,系统结构简单,所需元件较少。在恒流模式充电阶段系统输入阻抗呈感性,能实现零电压开关;在恒压模式充电阶段输入阻抗为纯阻性,几乎没有无功功率输入。实验结果表明,所提出方法的输出恒流和输出恒压在电池等效负载变化的同时有细微的波动,但实验结果仍然满足对电池充电的要求;此外,系统恒流时最高效率为92.2%,恒压时最高效率为94.2%。     

一种对称式双LCC补偿无线电能传输系统参数设计方法

LCC补偿结构由于其恒流恒压特性,被广泛应用于电磁感应式无线电能传输系统.因其有较多的无源元件,带来了参数设计步骤复杂的问题.通过对LCC拓扑进行二端口等效计算,利用互易定理分析不同模式下逆变器的电压电流零相位角,得到恒流、恒压模式下工作频率与线圈耦合系数的关系,提出一种对称式双LCC参数设计方法,无需迭代计算可以快速求得系统参数.通过仿真模型验证了理论分析的正确性;搭建谐振频率分别为348 kHz和419 kHz的无线传能实验样机,验证了其可行性.     

A four-coil structure wireless power transfer system with constant current and constant voltage charging: Analysis,design, and experiment

Wireless power transfer (WPT) technology can transmit power through high-frequency magnetic fields, which is safer and more flexible than conventional conductive charging method. The WPT systems for charging lithium batteries need to meet the charging function of first constant current (CC) and then constant voltage (CV). In addition, to avoid reactive power loss, the input impedance of the system is preferably purely resistive, that is, to meet the zero phase angle (ZPA) condition. In view of the above problems, this paper proposes a four-coil structure WPT system based on dual-frequency switching method to realize load-independent CC and CV charging outputs at two fixed ZPA frequency points, respectively. It is worth noting that there is only one compensation capacitor on the receiving side, which ensures the compactness and portability of the receiving side of the WPT system. An experimental prototype with charging current of 2.2 A in CC mode and charging voltage of 28 V in CV mode is established to verify the correctness and practicality of the proposed four-coil structure WPT system. The experimental results are basically in good agreement with the theoretical analysis.     

基于S-LCL补偿的磁场感应式电能传输系统研究

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)是电力电子领域当下的热点研究方向之一。在许多应用场合,需要无线电能传输系统具备不受松耦合变压器线圈自感所限制,且与负载无关的恒定电流输出能力。文章提出一种基于S-LCL补偿的磁场感应式无线充电系统及其补偿参数的整定方法。通过对系统补偿参数的合理设置,系统能够在近似零相位角(zero phase angle, ZPA）运行下实现电流的恒定输出。通过调整补偿参数的大小,功率MOSFET能够实现零电压开关(zero-voltage switching, ZVS)。为验证理论分析的正确性,文章搭建了实验样机,其输入直流电压为50V,输出直流电流为4A,电能最大传输效率达92.8%。     

具有可变增益恒压特性的三线圈WPT系统补偿网络结构及参数确定新方法

含有中继线圈的三线圈无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统可以提高系统的传输距离和传输效率。文章基于耦合电感模型分析,并建立传统串联/串联/串联(series/series/series,S/S/S)补偿结构的三线圈磁耦合系统数学模型,但该数学模型不够直观,不易对磁耦合系统除自感谐振式外的其他补偿参数确定方法进行分析。因此,提出利用变压器T网络模型进行三线圈磁耦合系统建模的新方法。基于所获得的解耦电路模型和等效漏感补偿理论,确定串联/串联/串联-并联(series/series/series-parallel,S/S/SP)、并联/串联/串联(parallel/series/series,P/S/S)、并联/串联/串联-并联(parallel/series/series-parallel, P/S/SP)补偿结构,提出S/S/S、S/S/SP、P/S/S、P/S/SP补偿结构的参数确定方法。所提方法在磁耦合系统不变的情况下,通过补偿电容及等效变比的设计,获得可变增益恒压的输出特性。该方法电路模型简单,设计思路清晰,参数选择灵活,有助于拓宽输出电压增益范围。     

电动汽车无线充电混合补偿拓扑电路分析

无线电能传输补偿方式直接影响输出电流、电压的增益特性,提出一种混合补偿拓扑电路,解决负载动态变化时输出电流、电压不稳定的问题,可应用于电动汽车恒流恒压无线充电电路。对拓扑电路原副边线圈建立等效松耦合变压器T模型,分析得出等效负载动态变化时可以实现恒流恒压输出的特性。构建仿真模型和试验台架,仿真验证电路分析的正确性。实验验证了在串/并补偿拓扑下副边稳流输出且原边逆变电流滞后电压,在串/串并补偿拓扑下副边稳压输出且原边逆变电流与电压同相。     

磁谐振无线电能传输系统线圈设计综述

线圈是无线输电系统中实现电磁耦合谐振的核心部件,具有高品质因数和均匀磁场的线圈是无线电能传输系统获得高传输效率和稳定输出的重要保证。基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。此工作对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。     

采用新型负载恒流供电复合谐振网络的无线电能传输系统

针对传统LC谐振拓扑无线电能传输(WPT)系统在负载动态变化时,无法实现负载恒流供电及系统工作频率失谐问题,提出一种新型一次侧LCL、二次侧LCC复合谐振网络无线电能传输系统。首先,在基波条件下,依据漏感模型建立了磁路机构等效电路,得到了谐振频率和输出电流表达式;然后,通过系统参数优化设计,进一步推导出了复合谐振网络中实现负载恒流供电以及系统谐振工作频率稳定的条件。仿真结果表明,基于参数优化设计的新型复合谐振网络无线电能传输系统,能够实现负载无线恒流供电,并且系统工作频率稳定。实验结果验证了理论分析和仿真分析的正确性和有效性。     

基于漏感补偿的可变恒流输出补偿网络参数确定方法及其特性分析

基于变压器T网络模型中等效参数的多解性和漏感补偿原理,提出对给定的磁耦合系统通过补偿参数设计使WPT系统实现可变恒流输出的新思路。利用电路理论分析不同等效电压比n下使WPT系统获得不同的转移导纳的机理和参数确定方法。同时对考虑磁耦合系统线圈电阻影响的补偿参数确定方法及其频率偏移特性进行了理论建模及分析,指出当等效电压比n减小时,其参数敏感度均会降低,有助于提高WPT系统的负载调整率。最后构建了WPT的实验平台,实验结果证明了理论分析的正确性。     

一种用于SS谐振无线电能传输系统变频移相控制下实现恒压和ZVS的参数设计方法

无线电能传输是一种方便灵活的电能传输方式。以串联-串联SS(series-series)谐振无线电能传输系统为研究对象,通过变频移相控制实现了后级的恒压输出与前级逆变器的零电压开通。首先基于无线电能传输系统的交流等效电路对系统特性进行分析,提出一种在采用变频移相控制下能够同时实现恒压与零电压开通的频率区间存在性判断方法。基于此判断方法,根据相角裕量与系统安全要求对谐振网络参数进行限定,保证了系统在当前设计参数下能够在相应工作指标下正常运行。最后搭建了一套250 W无线电能传输装置,对系统分析的正确性与参数设计的合理性进行验证。     

无线电能传输系统的全双工FMPSK通信方法

无线电能传输WPT （wireless power transfer）系统的控制、监测等操作需要在能量发送侧和能量接收侧之间建立通信链路实现,为此提出了一种基于WPT系统的全双工调频相移键控FMPSK （frequency-modulated phase-shift keying）近场通信方法,该方法采用较小的相位调制深度来减少对能量传输的干扰,并使用频率调制器和频率解调器来保证信号传递的准确性。首先介绍了FMPSK全双工通信的总体方案设计,其次通过推导出WPT系统输出功率和效率的相应数学表达式来探究FMPSK通信方法对能量传输的影响,最后通过仿真对所提的方法进行验证,证实了能量传输受到信号通道的影响很小,同时实现了可靠稳定的全双工信号传输。     

采用CCL/LCC复合谐振网络的电流型ICPT系统

为实现感应耦合电能传输(ICPT)系统在负载及气隙变化时的输出电压和工作频率恒定,提出了一种采用CCL/LCC复合谐振网络的电流型ICPT系统。首先,在基波条件下,依据变压器漏感模型建立系统等效电路,得到了输出电压增益与输入阻抗的表达式;然后,通过系统参数优化设计,推导出了动态负载下系统恒压供电和谐振工作频率稳定的条件。另外,当气隙变化时,利用动态调谐技术重新补偿耦合电感,可使得输出电压和工作频率在气隙变化前后保持不变。系统特性分析表明,所提出的CCL/LCC复合谐振网络电流型ICPT系统,在负载和气隙变化时可以保证输出电压和工作频率稳定。最后,实验验证了理论分析的正确性和有效性。