无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略

为了保证动态无线电能传输(DWPT)系统工作于较高的电能传输效率和传输功率,减小由于系统参数变化导致的传输功率和传输效率的下降。该文提出一种零电压开关角(ZVSA)跟踪和动态电容补偿矩阵(DCCM)相结合的无线电能传输系统频率跟踪控制策略。采用电流传感器来获取谐振电流的相位,并利用处理器产生的参考信号来测量谐振电流的相位。微控制根据频率漂移的程度计算补偿电容的大小,粗略地将自然谐振频率调至85 kHz,然后系统自动跟踪谐振电流相位,对谐振频率精确跟踪。该方法通过直接对相位检测电路输出的直流信号进行采样,轻松地获取高频电流的相位,大大降低了对微控制器的占用。该文提出的控制策略和系统结构结合了模拟电路和数字控制的优点,不仅对系统参数变化有高动态响应,而且极大地节省了处理器资源。

无线电能传输用S/CLC补偿拓扑分析

提出一种用于无线电能传输系统的S/CLC补偿拓扑。该补偿拓扑能够实现恒压输出、零输入相角以及零电压开关,最大输出功率也不受松耦合变压器参数的限制。从理论上分析S/CLC补偿拓扑的优点,并通过实验进行验证。考虑到松耦合变压器参数对无线电能传输系统的性能有很大影响,还仿真研究了圆形松耦合变压器的优化设计,根据优化结果制作了一个圆形松耦合变压器。该变压器的耦合系数和优化结果一致,证明了所提圆形松耦合变压器优化设计方法的正确性。

无线电能传输系统三相相移控制逆变器研发

设计一种为无线电能传输系统提供高频交流电的三相相移控制逆变器。该逆变器由三相D类半桥逆变桥组成,其开关管运行于固定的切换频率下,通过调整各相半桥的驱动相位差来调节输出电压,从而实现无线电能传输系统功率的调节。对三相相移逆变器的主要性能,包括相移角与输出电压的关系、相电流、各相零电压切换状态等进行分析,并推导无线电能传输系统在使用相移控制和频率控制下的效率。开发三相的相移逆变器原型机并应用于无线电能传输系统,在两个外边长为90cm、70cm的平面矩形螺旋线圈间传输能量。实验表明当相移角从0°到120°之间调节时,在接收端10Ω电阻负载上接收到的功率从5.2kW到0变化。同时在最大输出功率时测得逆变器直流输入到接收端直流负载的DC-DC最大效率为94%。

感应耦合能量传输系统中双边LCC谐振腔恒流和恒压模式的研究

感应耦合能量传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统中补偿网络能够改善系统特性,目前针对谐振补偿网络的输出电流和电压特性没有一种简单易行的分析模型。首先分析了LC电路、??型电路和T型电路实现与负载无关的恒流或恒压输出的谐振条件,并针对高阶无源谐振网络提出一种建模方法,通过将谐振网络等效成2阶LC网络和多级3阶???型电路或多级3阶T型电路的串联,研究其恒流或恒压输出的物理机理。ICPT系统中双边LCC谐振腔实质上是一个9阶谐振网络,基于所提建模方法,分析双边LCC谐振腔输出电流和电压特性。此外,提出仅切换一次系统工作频率便可以实现系统先恒流再恒压输出的方法,且恒流和恒压模式下系统工作频率均满足SAEJ2954标准要求,分别能实现谐振腔输入电压、电流之间的零相角和原边逆变器MOSFETs的零电压开通。搭建3.3kW电动汽车感应耦合能量传输系统的Matlab仿真平台和实验样机,验证理论分析的正确性和可行性。恒流和恒压模式下实验样机谐振腔的效率分别为92.1%和89.7%。

用于感应式非接触励磁系统的CLC补偿拓扑研究

在感应式非接触电能传输(ICPT)系统中,为了解决负载变化影响电路输出电流以及输入阻抗角的问题,提出一种新型的T型结构的CLC补偿拓扑,并将其与串联补偿组合形成CLC-串联型补偿结构。依据基尔霍夫定律分析了CLC补偿同时实现全负载变化范围内的输出恒流特性和零输入相位角(ZPA)特性的约束条件;推导出了针对上述约束条件的谐振网络参数设计方法;分析了系统的频率稳定性,并求出了使系统频率稳定的负载边界条件;定量地讨论了使逆变桥开关管实现零电压开关(ZVS)的谐振参数调整方法。仿真和实验结果验证了CLC补偿电路具有恒流特性和ZPA特性;当负载电阻值小于使系统稳定的负载边界值时,系统可以保持频率稳定;单独调节补偿电容容值C 1可以实现逆变器开关管的ZVS。

基于多中继线圈结构的无线电能传输系统恒流/恒压输出方法

在高压杆塔在线监测设备的电池充电过程中,为了兼顾充电速度与安全,常采用恒流/恒压充电方式。文中基于多中继线圈的无线电能传输系统,提出一种仅切换一次系统工作频率便能实现恒流/恒压输出的方法,该方法无需复杂的控制和额外的元件。首先,分析得到恒流、恒压与系统系数矩阵之间的定量关系;然后,采用迭代算法确定各个补偿参数的数值,使得系统在两个不同的频率点上可以分别实现恒流或恒压输出;最后,切换系统的工作频率,即可从恒流输出模式切换到恒压输出模式。实验结果表明,在负载大范围变化时,电流增益和电压增益仅略微变化,且在整个充电过程中几乎没有无功功率。

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。

基于三谐振的副边变补偿感应电能传输充电系统

为了让感应电能传输充电系统高效率地实现多级恒流和功率输出,并最少化无源元件和开关器件的数量,提出一种仅使用5个无源元件和2个开关的、基于三谐振的副边变补偿恒流恒压充电拓扑电路。该系统参数设计灵活,恒压模式复用了恒流模式的补偿元件,适用于多等级恒流充电场景,输出功率的提高不受磁耦合机构参数限制,仅需要改变副边3个无源元件的参数。恒流模式下,副边补偿电感L_(2)不影响恒流输出等级,通过配置L_(2)大小,可使逆变器开关管工作于零相位角、零电压开关或零电流开关的软开关状态;恒压模式下系统可实现零相位角。搭建了4 A、28 V恒流恒压充电样机进行实验,实验结果表明,所提出的充电拓扑在电池等效电阻发生变化时,恒流和恒压输出基本没有波动,可保证在实现零相位角特性的同时较高效率地恒流恒压充电。该系统使用的无源元件较少,有利于小型化移动设备及降低系统成本,同时可降低部分无源元件和开关器件的电压和电流应力,一定程度上提高可靠性。

基于S-CC补偿的恒压型无线充电系统研究

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统与插拔式系统相比具有更安全、高效的优势。提出了一种S-CC补偿的恒压型WPT系统,分析了其运行在近零相位角(zero phase angle, ZPA)下能够实现负载无关的恒压输出及零电压开关(zero voltage switch, ZVS)设计方法。所提出的S/PS补偿系统仅含3个补偿电容且接收端不包含补偿电感,节省了系统的空间、重量和经济成本。最后搭建一台60 V输出的实验样机,实验结果与理论分析一致,验证了所提系统的可行性。