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华南理工大学科研团队提出一种新型感应式耦合电能传输系统

A research team of South China University of Technology has proposed a novel inductively coupled power transmission system

作者:本站  来源:转载  浏览:511  发布时间:2023-04-15

在无线电能传输系统中一旦松耦合变压器和补偿电路的参数固定以后,感应式耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer, ICPT)变换器固有的电流源和电压源输出特性不可调,因而输出电压电流范围受限,在实际应用中仍有很大局限性。

华南理工大学智能工程学院黄智聪、邹博维、黄振威在2022年第24期《电工技术学报》上撰文,提出并探讨了一种单变换器功率源型ICPT系统的构造和控制方法。相比于电流源或电压源型的ICPT系统,功率源型的ICPT系统能够实现更宽的输出范围,兼容适配不同规格电池模组或超级电容充电。

感应式耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer, ICPT)是一种新兴技术,无需任何物理接触,即可无线传输电能。该技术通过一个松散耦合的磁感应链接将电能从系统一侧传输到另一侧。由于负载端和供电端不存在直接的电气接触,无裸露的金属接插件,消除了火花和电击风险,不受恶劣天气的影响,更加安全可靠。因此,其潜在应用领域众多,包括消费电子、医疗电子、水下充电和电动汽车等。

目前,针对ICPT变换器输出特性的研究,国内外众多学者从补偿电路设计出发,以恒定或近似恒定的电压增益、跨导、跨阻或电流增益为目标,使得ICPT变换器具有电流源或电压源输出特性,不受负载变化的影响。然而,一旦松耦合变压器和补偿电路的参数固定以后,ICPT变换器固有的电流源和电压源输出特性不可调。

具备恒流输出特性或恒压输出特性的ICPT所允许的最大输出电压或电流受限于额定功率,分别如图1a的阴影区域和图1b的阴影区域所示。考虑到负载变化,则需要额外的前端变换器或后端变换器来调节输出功率。但是额外的DC-DC变换器会导致损耗、体积和成本的增加,而采用硬开关调制的有源整流桥也不利于提高效率。如果把ICPT变换器设计成功率源型系统并采用恒功率充电,能一直维持最大功率充电,如图1c所示。


图1 ICPT变换器的V-I输出特性曲线示意

针对ICPT系统中恒流输出特性或恒压输出特性输出受限于额定功率的情况,华南理工大学智能工程学院黄智聪、邹博维、黄振威在2022年第24期《电工技术学报》上撰文,提出并探讨了一种单变换器功率源型ICPT系统的构造和控制方法。相比于电流源或电压源型的ICPT系统,功率源型的ICPT系统能够实现更宽的输出范围,兼容适配不同规格电池模组或超级电容充电。

研究人员首先介绍了主电路的拓扑结构,可编程恒功率无线传能系统的原理如图2所示。该ICPT系统的一次侧采用LCC补偿,在二次侧串有一个开关可控电容(Switched-Controlled Capacitor, SCC)和一个半控整流桥(Semi-Active Rectifier, SAR)。通过对其进行数学建模,详尽分析工作原理,推导出所提电路的输出特性。

其次,研究人员还提出了一种二次侧协同控制的操作方法,通过控制开关可控电容的控制角和半控整流桥的导通角,在负载发生变化时,配置二次侧等效负载阻抗实现可编程恒功率输出。由于该控制方案基于固定工作频率和二次侧实时调节,无需无线反馈通信。此外,该单变换器级ICPT系统的开关器件始终工作在软开关模式,减少了开关损耗。

最后,研究人员对所提单变换器级功率源型ICPT系统进行了仿真分析和实验验证,证明其可行性。


图2 可编程恒功率无线传能系统的原理

研究人员通过仿真及实验结果表明:

1)与恒流或恒压输出的ICPT系统相比,该系统的可编程式的恒功率输出特性提高了系统的兼容性,使系统兼容适配不同规格电池模组或超级电容充电;

2)所提的一种二次侧协同控制的操作方法,即通过控制开关可控电容的控制角和半控整流桥的导通角,具有与负载传输特性无关和系统零相角特性工作的优点,且该控制方案基于固定工作频率和二次侧实时调节,无需无线反馈通信;

3)该单变换器级 ICPT 系统的开关器件始终工作在软开关模式,减少了开关损耗,优化了系统效率;

4)与额外级联DC-DC变换器的系统相比,该系统采用单级结构,不会导致额外的损耗和体积,有利于降低设计成本和提高效率。