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。     

具有原边互感识别功能的恒流恒压无线充电系统开发

为了满足电动汽车电池先恒流后恒压充电的需求,根据补偿网络工作的特性,结合充电安全性的要求,设计了基于LCC-LCC/S混合补偿网络的无线充电系统方案.在恒流充电模式下,副边采用LCC补偿拓扑.在恒压充电模式下,副边采用串联补偿拓扑.在此基础上,针对静态充电技术中容易出现两侧线圈偏移的问题,提出了根据原边逆变器输出电流和互感的内在电路关系自动识别互感值,再移相调节输出的高频电压,从而保持额定充电电流和电压的方法.最后,搭建了恒流输出5 A、恒压输出200 V的无线充电系统样机对设计的系统方案进行验证.实验结果表明,系统可以通过切换副边补偿网络,自动稳定地切换充电模式,且线圈发生偏移之后仍然可以实现额定电流和电压充电.该系统省去了原、副边之间的无线通信,允许两侧传输线圈有较大的偏移量,运行安全性高,电路结构和控制策略简单.     

基于变补偿参数的IPT恒流恒压电池充电研究

为了简化感应电能传输(inductive power transfer,IPT)电池充电系统原边与副边电路的设计和控制复杂性,该文提出通过在原边电路加入一个附加电容和一个半导体开关的方法实现对电池恒流恒压切换充电,无需调节逆变器直流输入电压、原边移相控制及副边加入调压电路。恒流模式时,配置的补偿电容完全补偿原边线圈;恒压模式时,只需一个开关切出或者切入附加电容。该方法只需简单的通信(用于充电模式切换),没有复杂的控制策略,结构简单,成本低。实验表明,所提出方法输出的恒流和恒压随着电池等效负载电阻改变而轻微变化,但结果仍然满足电池充电要求。     

基于LCL-LCL/S混合自切换谐振式无线充电系统

为了减少混合谐振式无线充电系统的开关器件和无源元件数量,提高系统输出功率,同时简化原、副边的控制策略,提出一种基于LCL-LCL/S混合自切换谐振式无线充电系统,无需原、副边通信和增加任何无源元件,仅通过LCL结构的自投切操作更改拓扑网络来实现无线充电系统恒流恒压的切换。首先,依靠T型网络分析恒流或恒压输出与输入阻抗呈纯阻性的关系;然后,引入混合型补偿网络数学模型,分析实现系统输入电流和电压之间零相角（ZPA）与恒流或恒压输出特性的参数配置条件;接着,依据蓄电池充电曲线特征、谐振电流阈值、电压跳变阈值和耦合系数变化约束,进一步提出一种适用于混合谐振式拓扑网络参数优化的设计方法,在避免谐振网络参数经验选值的局限性导致参数不确定性问题的同时,也为参数选取提供了理论依据;最后,搭建实验平台验证该方案的可行性与有效性。实验结果表明,优化谐振网络参数的无线充电系统具有较好的恒流恒压输出特性,系统最大传输效率为81%,完全满足恒流恒压无线充电需求。     

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。     

基于变结构补偿网络的WPT恒流/恒压充电系统

针对电动汽车充电无线电能传输(WPT)系统的网络补偿技术,研究了一种LCC-LCC/S型变结构补偿网络.通过开关控制,能够将松耦合变压器的原/副边补偿网络由恒流源-恒流源特性,切换为恒流源-恒压源特性,从而实现变化负载工况下的恒流或恒压输出,用以满足动力电池的充电需求.针对变结构切换过程中硬开关能量冲击导致的高电压应力...     

电动汽车LCL复合型无线充电研究

为了满足电动汽车电池的充电需求,从改进线圈结构出发,提出了原边采用LCL结构,副边采用新型复合型结构的两线圈结构,对该结构进行磁耦合谐振时的理论分析.副边结构中存在3个可变补偿电容,通过改变磁能再生开关MERS的导通角α对可变补偿电容的电容值进行调整匹配,可得到电动汽车最大功率(MP)充电、恒流(CC)充电、恒压(CV)充电的3种充电模式,同时能使系统稳定工作于耦合谐振状态.搭建了系统模型,分析了在MP,CC,CV 3种方式下的3个可变补偿电容的状态,并对可变补偿电容结构进行进一步分析.搭建了Simulink模型与实验平台,结果表明通过改变3个可变补偿电容MERS的导通角,即可得到电动汽车CC,CV,MP的充电状态.该新型结构对电动汽车磁耦合谐振式充电有着重要影响.     

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%。     

基于变结构中继回路的感应电能传输无线充电系统

针对感应电能传输(inductive power transfer,IPT)无线充电系统中恒压或恒流输出的相互转换问题,基于LCL/S拓扑电路,提出含变结构中继谐振回路的恒压恒流无线充电系统,利用2个相互解耦的DD型线圈作为中间线圈,与谐振电容器形成谐振回路,使用2个交流开关用于系统充电模式的切换,实现独立于负载的恒流和恒压充电。该结构不需要原副边通信以及复杂的控制策略,在充电过程中没有无功功率输入,可获得较高的传输功率和传输效率。为了验证该方法的有效性和可行性,在PSIM中进行电路仿真并搭建实验原理样机,实验结果表明:基于所提方法输出的恒流和恒压随着电池等效负载电阻改变而轻微变化,但仍然满足电池恒流和恒压充电要求。     

基于双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统研究

为了简化磁耦合谐振式无线充电系统电路设计和控制的复杂性,提出一种双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统,只需对部分补偿元件进行投切操作,即可实现恒流和恒压充电。首先利用二端口网络对系统原边、副边建模得到双LCL数学模型,分析实现恒流或恒压输出的参数配置条件;然后根据恒流和恒压参数配置特点,设计变补偿参数的电路结构;再根据仿真方法得出的关键参数与系统传输特性之间的关系,合理设计参数配置,使得磁耦合谐振式无线充电系统无复杂电路环节而且控制简单,还可实现原边电流和频率恒定;最后搭建实验平台,验证设计的系统输出的电压或电流波动较小,可以满足恒压和恒流充电的要求。     

基于补偿网络电流分析的恒压恒流无线充电系统

为了避免民用飞机机载设备与电源插拔过程中带来电火花的危险,并提高设备充电的便利性,本文采用无线充电方式为其进行供电。在恒压恒流无线充电系统中,补偿网络支路电流大小不仅决定功率器件成本,也与系统损耗直接相关。因此,对补偿网络电流优化,是实现高效无线电能传输的重要途径。本文首先分析了低阶网络的回路电流关系,得到了回路电流最小的条件,进一步推广到高阶网络,获得最优补偿网络电流一般性方法。其次,在分析原副边完全对称补偿网络具有实现恒压或恒流的基础上,得到一系列恒压恒流拓扑,并结合最优补偿网络电流方法对拓扑进行参数设计,同时采用原边电流检测方法进行恒压恒流切换,避免了原副边之间的通信。最后,通过仿真和实验验证电流优化方法和负载无关实现方法,结果表明,所述拓扑具有很好的恒压恒流输出特性,同时电流优化方法能大幅度减小回路电流应力,从而提高系统传输效率。     

电动汽车动力锂电池LCL型无线充电技术

为了满足电动汽车动力锂电池的充电需求,文中提出基于MERS(Magnetic Energy Recovery Switch,磁能再生开关)的LCL谐振型无线电能传输系统。该系统仅通过改变副边MERS的导通角,即可实现三种工作模式:恒流输出模式、恒压输出模式和最大功率输出模式。文中提出了系统模型,分析了LCL谐振型ICPT系统满足恒压、恒流、最大功率输出三种工作状态的条件;研究并建立了MERS的数学模型;搭建了Simulink仿真模型,仿真结果表明,本系统仅通过控制副边MERS的导通角α一个参数,可以实现电动汽车动力锂电池“先恒流后恒压”的充电需求,也可以实现当系统互感系数变化时系统维持在最佳工作点,而无需改变其他系统网络参数。该方案对改进电动汽车无线充电系统有一定的参考价值。     

计及系统性能提升的谐振式无线充电开关器件死区优化

针对双边LCC谐振式无线充电的逆变器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)死区时间设置影响传输功率及效率的问题,提出了一种适用于其拓扑结构的死区优化设计方法。首先建立了双边LCC谐振式无线充电系统的数学描述,并简述其运行模态,推导出次级侧补偿电容与输入感性阻抗的量化规律。然后据此提出了一种死区时间优化设计方法,以实现与无线充电系统特性密切相关的逆变器软开关。最后,搭建了一套实验平台,实验结果表明,此优化设计方法可确保逆变器运行完全实现软开关,提高了无线电能传输功率及效率。     

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IPOS双LLC谐振变换器的恒压恒流充电研究

针对充电拓扑存在开关工作频率范围过宽的问题,提出了一种适用于蓄电池充电的IPOS双LLC谐振变换器,并针对其恒压恒流输出特性展开了研究。所提变换器包含两组LLC谐振腔,通过辅助开关管S的开闭改变其中一组谐振电容参数,从而实现变换器的恒压和恒流输出转换。恒压恒流模式下所提变换器均定频工作：在恒压模式(S闭合),两组谐振腔工作在LC串联谐振点处;在恒流模式(S断开),一组谐振腔工作在LLC谐振点处实现恒流输出而另一组仍恒压输出。所提变换器实现软开关的同时实现了原边开关管和副边整流二极管的复用,并详细介绍了其工作原理、电压电流增益、设计方法和控制方案。最后,通过实验和仿真验证了所提变换器的可行性。     

基于频率切换的S/SP拓扑恒流恒压输出WPT系统研究

近年来,无线电能传输技术因其稳定、安全、电气隔离等优势受到研究者广泛关注。在实际应用中,确保无线电能传输系统在零相位角的条件下实现稳定的先恒流后恒压充电输出对延长电池寿命和提高系统的功率传输效率至关重要,因此,提出了一种基于频率切换的S/SP拓扑补偿的具备恒流和恒压充电功能的WPT系统。通过理论分析,该系统可以在2个固定的零相位角频率点下实现稳定的恒流和恒压充电输出特性,且无需重构电路补偿结构。此外,所提系统的整体补偿元件较少,降低了系统的设计复杂度和开发成本。为验证所提系统的正确性,搭建了一台4.2 A/56 V充电输出的实验样机。实验结果与所提系统的理论分析吻合良好。     

基于跳频控制策略的串联-串联谐振无线电能传输系统的参数优化设计方法

无线电能传输是一种方便、安全的电能传输方式。以实现蓄电池快速无线充电的串联-串联(SS)型谐振无线电能传输系统为研究对象,设计蓄电池三段式充电曲线,提出一种与之相对应的分段跳频控制策略。根据蓄电池充电曲线特征、SS谐振网络的恒压恒流特性和分段跳频控制策略,提出一种适用于蓄电池全范围充电的谐振网络参数优化设计的方法,为无线电能传输系统参数的优化设计提供了理论依据。搭建SS谐振无线电能传输装置,验证了参数选择的合理性和控制策略的有效性。在一次、二次侧之间距离12.5cm下,该装置实现了蓄电池的全范围三段式充电,并且整机效率最优达到93.5%。     

无通讯模块无线充电系统的控制策略研究

基于副边控制无线充电系统,提出了原副边无通信模块的无线充电系统的控制策略。首先,对串联谐振无线充电系统工作稳定性进行分析,得到为保证稳定工作副边需控制输出电压,文中采用半控整流电路通过调整占空比控制输出电压。进一步分析得出系统在负载降低与副边升高输出电压两种情况下,由于无法达到预期的输出电压值,导致负载无法正常工作。通过在原边引入对负载与副边半控整流电路开关占空比估计的方法,实现在原副边无通讯模块下,原边针对变化情况同步调整输入电压,使系统能够满足输出条件。最后,在MATLAB中对控制策略进行仿真验证。     

“车-站-网”多元需求下的电动汽车快速充电引导策略

提出一种面向电动汽车(车)、快速充电站(站)、配电网(网)多元需求的电动汽车快速充电引导策略。首先介绍了“车-站-网”协同模式下充电引导架构,并基于起讫点分析得出的快充需求分布结果,提出一种双层队列模型模拟快速充电站动态队列。然后,根据动态队列和节点电压约束下配电网快充负荷接纳能力,采用动态电价需求函数建立充电电价模型,以用户充电成本最小为目标引导用户选择快速充电站。最后,以某市部分主城区为例,对1 000辆具有快充需求的电动汽车在不同参与度下进行仿真。结果表明,所提充电引导策略能够在节约用户充电成本的同时,提高快速充电站的运营效率,保证配电网的运行安全。