点击数: 更新日期: 2022-10-20
中文题目：基于复合结构的副边恒流/恒压模式自动切换式无线电能传输系统研究
论文题目：A Series of Hybrid WPT Systems with Automatic Switching between Constant-Current and Constant-Voltage Modes on the Secondary Side
录用/见刊时间：2022年9月26日
录用期刊：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (JCR Q1)
作者列表：
1） 吉莉 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子系教师
2） 张明 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 信息与通信工程专业 硕20
3） 钱步仁 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子系教师
4） 孙红军 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 计算机系教师
背景与动机:
当下，可充电电池被认为是解决能源和排放问题的一种经济且环保的方式。对于电池充电技术，无线电能传输（WPT）技术采用原、副边分离的松耦合变压器实现，相比于有线电能传输技术具有便捷、可靠等特点，在近几年得到迅速发展。
为了延长电池寿命和保障电池的充电安全性，电池的充电首先采用恒流（CC）模式，当电池电压增加到指定水平，迅速进入恒压（CV）模式。因此，构建CC模式到CV模式的自动且迅速切换至关重要。当前方案都需要宽范围的输入调制技术和复杂的控制电路，基于原边的控制方案更是需要稳定的通信手段，增加了电路的复杂程度。与此同时，对于静止充电的汽车，难免会发生耦合线圈之间错位的情况，这导致系统漏电感增加和耦合系数k的降低，从而降低系统性能。如何改善耦合结构的偏移容忍度和交互性，实现CC模式和CV模式的稳定快速切换，一直是研究的热点问题。
理论分析：
复合型谐振结构的本质是将两种负载无关的CC或CV输出，且与线圈偏移趋势相反的WPT拓扑结合起来，该结构具有接近负载无关的输出，和对线圈偏移的具有较高的容忍度。本文基于T型谐振补偿网络，设计了IPOP、IPOS、ISOS和ISOP四种具有恒定输出的复合结构，它们的等效电路如图1所示。
图1 复合结构的等效电路（a）IPOP（S-S&T-T）结构（b）IPOS（S-T&T-S）结构（c）ISOS（S-S&T-T）结构（d）ISOP（S-T&T-S）结构
为了实现输出模式的切换，本文基于恒压型复合结构，设计了八种可重构拓扑结构，运用较少的开关，实现了CC模式到CV模式的快速切换，如图2所示。
图2 八种从CC模式切换到CV模式的可重构拓扑结构
应用分析：
本文基于ISOP型复合结构的LCL-LCL型可重构拓扑结构，设计了如图3所示的完整电路。
图3 基于复合结构的自切换WPT系统
其耦合结构采用DDQ结构，如图4所示。
图4 DDQ型耦合结构
根据M12和M34的线性关系，结合电路的设计原理和理论分析，可以完成系统所有元器件的参数设计，参数设计流程图如图5所示。
图5 参数设计流程图
实验结果及分析:
为了验证上述分析，搭建了一套功率为200 W的基于复合结构的可重构拓扑系统，在恒流阶段输出电流为2.2 A，恒压阶段输出电压为93 V，实验装置如图6所示。
图6 基于ISOP型复合结构的可重构拓扑系统的实验装置
图7为逆变器输出电压、逆变器输出电流和负载充电电压的波形图。可以看出负载充电电流在开关前后各个模式下保持恒定。图8为CC到CV模式切换瞬间负载和电路电压的波形图，切换的瞬间发生抖动，但是电路稳定后保持稳定。
图7 Uin，Iin和UL的实验波形（a）CC模式（RL=36Ω）；（b）CV模式（RL=70Ω）
图8 CC到CV模式切换瞬间负载和电路电压的波形图
图9显示了线圈在X轴上错位时输出电压和输出电流的变化曲线。结果表明，在线圈X方向的偏移量小于200 mm的情况下，CC模式下电流IL的变化率为4.2%，CV模式下负载两端电压UL的变化率为4.3%，均低于预设偏差Δ，即5%。同时，可以得到在Z方向上的偏移容忍范围，接收端线圈可以在Z方向上距离发射端线圈125 mm至200 mm范围内，实现CC和CV的自切换，在这种情况下，互感M34的变化范围为18μH至34μH。
图9 CC到CV模式切换瞬间负载和电路电压的波形图
结论:
本文提出了一系列具有抗偏移，且能够实现恒流到恒压输出自切换的WPT系统。首先给出了四种基于T型网络结构的复合拓扑结构，该系列结构通过S和T型网络的结合，提高了系统的偏移容忍度。与此同时，为了实现恒压型复合拓扑结构的恒流到恒压输出的自切换，在少用开关的前提下给出了八种能够实现切换的电路结构设计。最后，以基于ISOP复合结构的可重构拓扑系统为例，对所提出的设计方法在不用功率水平下进行验证。在输出电压和频率不变的情况下，系统能够实现偏移情况下从CC模式到CV模式的自动切换。在切换过程中，负载电压不会产生跳变，从而保护了蓄电池的稳定和安全性。实验结果表明，在X方向偏移量达到200mm，或者Z方向从125mm到200mm的偏移下，该方法能够满足电池充电要求的CC和CV特性，在两种模式下变化率均小于5%。
关于作者
吉莉，女，博士，副教授，硕士研究生导师。博士毕业于中国科学院大学电力电子与电力传动专业。主持国家自然科学基金项目和国家863项目子课题和省部级基金项目，作为科研骨干参与多项国家863项目、国家科技支撑项目、北京市科委科技攻关等课题，负责多项企业横向课题。中国电工技术学会无线电能传输专委会委员，中国人工智能学会青工委委员，科技部国家第六次技术预测工作能源领域总体组专家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on industrial electronics》、《Renewable Energy》、《电力系统自动化》、《计算机集成制造系统》等期刊上发表SCI/EI期刊论文30余篇，第一作者获授权/受理发明专利10余项、软件著作权6项。编写中文著作3部。