基于發(fā)射側(cè)T/F變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流無線充電系統(tǒng)

譚平安 廖佳威 譚廷玉 宋 彬 鄧怡萌

基于發(fā)射側(cè)T/F變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流無線充電系統(tǒng)

譚平安 廖佳威 譚廷玉 宋 彬 鄧怡萌

（湘潭大學(xué)自動(dòng)化與電子信息學(xué)院 湘潭 411105）

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池以其優(yōu)越的性能得到市場的青睞。為滿足鋰電池充電過程中對恒流和恒壓的實(shí)際需求，提升充電的靈活性與安全性，該文提出一種基于發(fā)射側(cè)T/F變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流無線充電系統(tǒng)。首先剖析在不同電源輸入工況下串聯(lián)-串聯(lián)（S-S）型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的基本輸出特性，同時(shí)結(jié)合高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造機(jī)理，借此衍生出適用于鋰電池?zé)o線充電的變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想。在此基礎(chǔ)上，利用等效電路分別建立恒壓和恒流充電模式的分析模型，推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒定輸出和維持零相角狀態(tài)的基本條件，揭示系統(tǒng)增益與變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡明基于發(fā)射側(cè)電流大小的充電模式切換方法。最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。

無線充電 恒壓 恒流 變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償 零相角

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)是一種以電磁波為能量載體，使電能以非接觸的方式從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩私o負(fù)載供能的技術(shù)。該技術(shù)具有靈活便利、安全可靠、支持多設(shè)備同時(shí)供電等特點(diǎn)，使得部分特定用電場合擺脫電纜的束縛成為可能[1]。WPT技術(shù)將對現(xiàn)有充電模式產(chǎn)生革命性影響，加速推動(dòng)電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、醫(yī)療器械、家用電器、航空航天等領(lǐng)域技術(shù)和裝備發(fā)展，提高能源利用效率和便利性，其市場潛力不可小覷[2]。

蓄電池在新能源產(chǎn)業(yè)中扮演著很重要的角色，相比傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池，鋰電池憑借其比能量大、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢[3-4]，在眾多蓄電池中脫穎而出，逐漸開始走向主流，并認(rèn)為是電池未來的發(fā)展趨勢。鋰電池的充電過程大致分為恒流（Constant Current, CC）充電階段和恒壓（Constant Voltage, CV）充電階段，首先在恒流充電模式下進(jìn)行充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到鋰電池的閾值電壓時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式，直到充電電流大小接近零時(shí)，充電過程結(jié)束，在充電過程中鋰電池的等效電阻B將會(huì)不斷變化[5-7]?，F(xiàn)有鋰電池的充電方法大多為接觸式充電，其充電過程無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，如能采用WPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋰電池的非接觸充電，將會(huì)極大地提高鋰電池充電的靈活性與安全性。為此，探尋適用于鋰電池的非接觸充電方法將對推動(dòng)無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

無線電能傳輸系統(tǒng)的傳統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有串聯(lián)-串聯(lián)（Series-Series, S-S）、串聯(lián)-并聯(lián)（Series-Parallel, S-P）、并聯(lián)-串聯(lián)（Parallel-Series, P-S）和并聯(lián)-并聯(lián)（Parallel-Parallel, P-P）四種類型。當(dāng)激勵(lì)為電壓源時(shí)，以上系統(tǒng)本身就具備恒流或恒壓輸出特性[8]。此外，為了滿足不同應(yīng)用場合對恒流和恒壓輸出特性的實(shí)際需求，已有較多文獻(xiàn)提出了不同的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致可分為單一補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、接收側(cè)復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和發(fā)射側(cè)復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 三類。

（1）單一補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]提出了一種LCL-LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)恒流輸出的同時(shí)其發(fā)射側(cè)電流不受負(fù)載變化的影響，但到充電末期因電池極化內(nèi)阻的原因?qū)е绿撾妷狠^高，使得電池充不滿，還會(huì)影響電池壽命。文獻(xiàn)[10]提出的LCL-LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在保持發(fā)射側(cè)電流不變的前提下，可以實(shí)現(xiàn)多負(fù)載恒壓輸出。文獻(xiàn)[11]提出的S-CLC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以維持恒壓輸出，且不受松耦合變壓器參數(shù)的束縛。單一補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出特性的自適應(yīng)切換，不能很好地滿足鋰電池的充電需求。

（2）接收側(cè)復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。僅考慮接收側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)射側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)維持不變，可實(shí)現(xiàn)CC/CV充電模式的自適應(yīng)切換。文獻(xiàn)[12]提出了一種S-S/P型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該方法發(fā)射端為串聯(lián)補(bǔ)償，接收側(cè)可為串聯(lián)補(bǔ)償或并聯(lián)補(bǔ)償，通過實(shí)時(shí)檢測發(fā)射側(cè)的電流大小來實(shí)現(xiàn)H橋逆變器的移相控制，從而維持CC/CV輸出的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[13]提出了一種S-LCL/CLC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可使得系統(tǒng)的輸入阻抗呈阻性，其電壓/電流增益僅與工作頻率和互感大小有關(guān)。調(diào)頻會(huì)造成系統(tǒng)失諧，而互感大小與線圈參數(shù)、傳輸距離和相對偏移等諸多因素有關(guān)，難以實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)節(jié)，因此也存在著增益固化的弊端。文獻(xiàn)[14]根據(jù)T型網(wǎng)絡(luò)和F型網(wǎng)絡(luò)的基本特性，提出了一種F-F/T復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，接收端通過3個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)恒流T型網(wǎng)絡(luò)和恒壓F型網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)能始終運(yùn)行在零相角（Zero Phase Angle, ZPA）狀態(tài)，然而發(fā)射端和接收側(cè)均含有四階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且未考慮互感變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

（3）發(fā)射側(cè)復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。僅考慮發(fā)射側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變化，接收側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)維持不變，同樣可實(shí)現(xiàn)CC/CV充電模式的自適應(yīng)切換。文獻(xiàn)[15]基于四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提出了S/P-S型和S/P-P型兩種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，采用3個(gè)輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)對發(fā)射側(cè)S/P型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)切換，均能滿足鋰電池的CC/CV充電需求，但系統(tǒng)增益控制自由度低，且存在輔助開關(guān)較多的不足。文獻(xiàn)[16]基于變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)思想提出了一種CC/CV復(fù)合型WPT系統(tǒng)，由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗不呈純阻性，使得系統(tǒng)不能始終運(yùn)行在ZPA狀態(tài)。

為此，本文在深入分析S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，將T/F型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，提出了一種TS/FS-S變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流型感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)[17]。該方法中，T/F型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)節(jié)恒流/恒壓輸出增益的功能，S-S補(bǔ)償電路起到高效傳遞能量的作用。其優(yōu)勢在于無需進(jìn)行移相控制、改變輸入電壓或線圈自感，通過調(diào)整T/F補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)，便能改變輸出電流或電壓的大小，從而滿足不同鋰電池的充電需求，并且減少了輔助開關(guān)的數(shù)量，可使得系統(tǒng)工作在ZPA狀態(tài)。本文首先介紹該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想及構(gòu)成，運(yùn)用等效電路模型分析恒壓和恒流充電模式的基本原理及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)；然后闡明系統(tǒng)恒壓/恒流工作模式的切換控制；最后通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想

在感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的四種基本補(bǔ)償電路中，S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相比其他三種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有著結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢，因此本文選擇在S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行恒流恒壓補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。基于S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的感應(yīng)式WPT系統(tǒng)在不同激勵(lì)下的等效電路如圖1所示。圖中，in為輸入電壓，in為輸入電流，p為發(fā)射線圈電感，p為發(fā)射側(cè)補(bǔ)償電容，s為接收線圈電感，s為接收側(cè)補(bǔ)償電容，p為發(fā)射側(cè)電流，s為接收側(cè)電流，o為負(fù)載電阻，o為負(fù)載電壓，o為負(fù)載電流，為系統(tǒng)的角頻率，為線圈間的互感。以下分析均基于理想情況，不考慮電源內(nèi)阻和線圈內(nèi)阻。

圖1 WPT系統(tǒng)等效電路

綜上所述，如果要實(shí)現(xiàn)對鋰電池的CC/CV工作模式自適應(yīng)切換，就需通過有效手段來改變ab端輸入電源的類型。如果系統(tǒng)同時(shí)提供電壓源和電流源，雖能滿足實(shí)際需求，但會(huì)大大增加制造成本。另外，考慮到實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)輸入常為電壓源，擬在電壓源和ab端口之間增加一個(gè)變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)腤PT系統(tǒng)如圖2所示。此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)負(fù)載端的CC/CV充電需求來改變結(jié)構(gòu)，使得在CC模式充電時(shí)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出為電壓源，即壓控壓（Voltage Controlled Voltage, VCV）模式；在CV模式充電時(shí)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出為電流源，即壓控流（Voltage Controlled Current, VCC）模式[17]。

圖2 變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)腤PT系統(tǒng)

圖3 二端口等效電路

2 系統(tǒng)構(gòu)成及其工作機(jī)理

在以上分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合T型網(wǎng)絡(luò)和F型網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸特性，本文提出了一種基于發(fā)射側(cè)T/F變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流型感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。發(fā)射側(cè)由直流電壓源dc、H橋逆變電路、高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈組成；接收側(cè)由串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流和濾波電路以及鋰電池等效電阻B組成，B為電池電壓。該系統(tǒng)通過輔助開關(guān)S1和S2來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，從而滿足負(fù)載端對CC和CV充電模式的實(shí)時(shí)需求。當(dāng)S1閉合、S2斷開時(shí)，由補(bǔ)償電感1、2，補(bǔ)償電容1t1s和p組成TS補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)S1斷開、S2閉合時(shí)，由補(bǔ)償電感1、2，補(bǔ)償電容1t、2和p組成FS補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖4 變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)臒o線充電系統(tǒng)

2.1 恒壓輸出

當(dāng)開關(guān)S1閉合、S2開關(guān)斷開時(shí)，CV充電模式對應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。逆變器輸出的交流電壓等效為電壓源s，點(diǎn)畫線框內(nèi)為T型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，虛線框內(nèi)為含S-S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的耦合機(jī)構(gòu)，L為鋰電池電阻B折射到整流電路輸入端的等效電阻，在不計(jì)整流橋損耗的前提下[19]滿足

根據(jù)基爾霍夫定律，CV模式等效電路方程如下

為了方便計(jì)算表達(dá)，令

經(jīng)整理可得流經(jīng)eq上的電流為

要實(shí)現(xiàn)T型網(wǎng)絡(luò)的輸出電流不受負(fù)載變化的影響，則應(yīng)該使式（8）中eq的系數(shù)為零，即滿足

此時(shí)式（8）可以化簡為

經(jīng)計(jì)算T型網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗表達(dá)式為

為了實(shí)現(xiàn)ZPA，即阻抗in呈純阻性，則需滿足

在此前提下，式（11）可以化簡為

由圖1b和圖6，可知

結(jié)合式（2）和式（10）可得，等效負(fù)載L上的電壓有效值表達(dá)式為

由式（6）和式（13）可得，電路的輸入阻抗為

根據(jù)式（15）可知，如果維持輸入電壓Vs、電感L1和互感M不變，則可以實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。輸出電壓VB與電感L1的關(guān)系如圖7所示，當(dāng)互感和輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓VB與電感L1成反比，與負(fù)載大小無關(guān)。為適應(yīng)不同負(fù)載所需的電壓等級(jí)，可由式（15）來確定電感L1值。當(dāng)需求的輸出電壓大于輸入電壓時(shí)，可以設(shè)定L1＜M；當(dāng)需求的輸出電壓小于輸入電壓時(shí)，可以設(shè)定L1＞M。此外，從式（16）可知，系統(tǒng)的輸入阻抗為純阻性，電路運(yùn)行在ZPA狀態(tài)，有助于減少系統(tǒng)無功功率，將更多的能量傳遞到負(fù)載端。

2.2 恒流輸出

圖9 CC模式等效電路

經(jīng)計(jì)算可以得到等效電阻eq兩端的電壓相量為

其中

此時(shí)式（18）和式（19）可以化簡為

由圖2可知，in=veq，由式（1）和式（21）可知等效電阻L上的電流有效值的表達(dá)式為

結(jié)合式（6）和式（22）可以得到恒流模式電路的輸入阻抗表達(dá)式為

由式（23）可知，如果維持輸入電壓s、電感2和1、互感及角頻率不變，則可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。輸出電流B與2/1的關(guān)系如圖10所示，當(dāng)互感、角頻率和輸入電壓不變時(shí)，輸出電流B與2/1值成正比，與負(fù)載大小無關(guān)。為適應(yīng)不同蓄電池所需的充電電流，可由式（23）來確定2/1值。由式（24）可知，恒流模式下系統(tǒng)的輸入阻抗為純阻性，電路同樣運(yùn)行在ZPA狀態(tài)。

圖10 輸出電流IB與L2/L1的關(guān)系

3 切換控制方法

兩種充電模式的切換時(shí)機(jī)是根據(jù)實(shí)時(shí)充電電壓是否達(dá)到閾值電壓來確定的，由于變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的切換開關(guān)在發(fā)射側(cè)，為避免在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)之間使用無線通信設(shè)備，本文提出一種將電池電壓B折射到發(fā)射側(cè)，通過檢測發(fā)射線圈的電流p的大小來實(shí)現(xiàn)兩種充電模式的自適應(yīng)切換，系統(tǒng)的控制原理示意圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)控制原理示意圖

電池電壓有效值B與整流橋的輸入電壓有效值o，在不計(jì)整流橋損耗的前提下，其關(guān)系[13]為

由于inp，將式（25）代入到式（2）中，得到電池充電電壓B與發(fā)射側(cè)電流有效值p的關(guān)系表達(dá)式為

將電池閾值電壓BAT代入到式（26）中，可以得到充電模式切換的基準(zhǔn)電流pref為

于是，通過檢測發(fā)射線圈的電流，當(dāng)滿足ppref時(shí)，相當(dāng)于電池電壓B達(dá)到了閾值電壓BAT，此時(shí)控制器發(fā)出信號(hào)，開關(guān)動(dòng)作，發(fā)射側(cè)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由FS切換至TS結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電階段。由于具體的開關(guān)切換控制方法已經(jīng)十分成熟，在文獻(xiàn)[8]中已詳細(xì)介紹，本文不再贅述。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)恒壓/恒流無線充電系統(tǒng)的正確性和有效性，參照圖11所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主要由直流電源、全橋逆變器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈、接收線圈、整流器、電子負(fù)載、控制器組成。其中逆變器4個(gè)MOSFET開關(guān)管的型號(hào)為47N60C3；補(bǔ)償電感12選用耐流為15A的KS090125鐵鋁硅磁環(huán)電感，避免過電流引起補(bǔ)償電感飽和；發(fā)射線圈和接收線圈的材料為銅線，線徑為1.2mm，發(fā)射線圈20匝，接收線圈18匝，兩個(gè)線圈間距為5cm。具體的WPT系統(tǒng)電路參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)方案采用艾德克斯IT8814電子負(fù)載模擬鋰電池充電過程中等效電阻B逐漸增大的過程[13,18]，每隔5W測一組數(shù)據(jù)，當(dāng)電阻B增大到200W時(shí)，充電電流變化趨于緩和。為此，電池等效電阻B的選取范圍為5～200W。首先，通過改變電池等效電阻B分別測量CC模式和CV模式時(shí)的輸出電壓和電流大小來驗(yàn)證系統(tǒng)的恒定輸出特性，然后通過示波器測得逆變器輸出的電流、電壓波形，觀察兩者的相位情況來驗(yàn)證系統(tǒng)的ZPA特性。

表1 WPT系統(tǒng)電路參數(shù)

Tab.1 Circuit parameters of WPT system

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：電池等效電阻B從5～200W的變化過程中，系統(tǒng)輸出電流、電壓波形如圖12所示。由于負(fù)載變化范圍較寬，橫軸取等效電阻B的對數(shù)值lgB。從圖12中能明顯看到兩種充電模式的分界，切換時(shí)刻的等效電阻為20W，電池電壓B=41.56V，一次電流p=2.11A，與式（27）得到的理論值2.19A較為吻合。其中，恒流階段的輸出電流B在2.10～2.14A之間，誤差為±1.9%；恒壓階段的輸出電壓B在42.4～43.7V之間，誤差為±3.1%。實(shí)驗(yàn)的誤差與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中整流橋損耗、逆變器損耗、線圈電阻和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻等因素有關(guān)。

圖12 系統(tǒng)輸出電流、電壓波形

圖13給出了系統(tǒng)從恒流充電到恒壓充電階段的效率曲線。從圖中可以看出，在恒流充電階段，隨著輸出功率的增加，系統(tǒng)效率也隨之增大。當(dāng)電池電壓B達(dá)到閾值電壓時(shí)，系統(tǒng)輸出功率為87.3W，系統(tǒng)效率為86.84%；在恒壓充電階段，由于電容1s的斷開和電容2接入電路，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻會(huì)有所增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的效率有所下降。隨著輸出功率的逐漸減小，逆變器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和整流器的功率損耗占比增加，由此系統(tǒng)效率下降明顯。當(dāng)輸出功率為10W時(shí)，系統(tǒng)效率下降到50%。

圖13 系統(tǒng)的效率曲線

為驗(yàn)證所提出的恒流/恒壓無線充電系統(tǒng)在不同的負(fù)載情況下均能運(yùn)行在ZPA狀態(tài)，首先采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使得系統(tǒng)滿足式（12）和式（20）的基本條件，分別對恒流充電模式和恒壓充電模式的輸出特性進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析。

當(dāng)系統(tǒng)工作在恒流充電模式時(shí)，分別測量電阻B為5W、10W、15W和20W時(shí)逆變器輸出的電流和電壓波形，恒流模式逆變器輸出波形如圖14所示。當(dāng)電阻B逐漸增大時(shí)，結(jié)合式（5）和式（24）可知，系統(tǒng)輸入阻抗將隨之減小，因此逆變器的輸出電流將隨之增大。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在電阻B變化時(shí)，輸出電壓s和電流p始終保持同相位，即系統(tǒng)均運(yùn)行在ZPA狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓充電模式時(shí)，分別測量電阻B為25W、30W、35W和40W時(shí)逆變器輸出的電流和電壓波形，恒壓模式逆變器輸出波形如圖15所示。當(dāng)電阻B逐漸增大時(shí)，結(jié)合式（5）和式（16）可知，系統(tǒng)輸入阻抗將隨之增大，因此逆變器的輸出電流隨之減小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在電阻B變化時(shí)，輸出電壓s和電流p基本保持同相位，可以認(rèn)為系統(tǒng)在CV充電過程中也處于ZPA狀態(tài)。

圖14 恒流模式逆變器輸出波形

圖15 恒壓模式逆變器輸出波形

5 結(jié)論

為滿足鋰電池對恒流和恒壓的實(shí)際充電需求，同時(shí)減少輔助開關(guān)數(shù)量和提高系統(tǒng)增益的控制自由度，本文在總結(jié)分析現(xiàn)有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將S-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出一種基于變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒流恒壓WPT系統(tǒng)拓?fù)涞臉?gòu)造方法。借助該思路，設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)射端T/F變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓/恒流型無線充電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)同時(shí)具備恒流恒壓特性以及ZPA特性，驗(yàn)證了本文所提出的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法的有效性，按照該設(shè)計(jì)思路可進(jìn)一步構(gòu)造更多高階的變結(jié)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以滿足電氣設(shè)備的不同充電需求。

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Constant Voltage/Constant Current Wireless Charging System Based on T/F Variable Structure Compensation Network of Transmitter-Side

（School of Automation and Electronic Information Xiangtan University Xiangtan 411105 China）

With the development of new energy industry, lithium battery is favored by the market for its superior performance. In order to meet the actual requirement of constant current and constant voltage in the process of lithium battery charging, and to improve the flexibility and safety of charging, this paper proposes a constant voltage/constant current wireless charging system based on T/F variable structure compensation network at the transmitter side. Firstly, the basic output characteristics of S-S compensation network under different power input conditions are analyzed, and the design idea of variable structure compensation network suitable for wireless charging of lithium battery is derived based on the construction mechanism of higher-order compensation network. Secondly, the analysis models of constant voltage and constant current charging mode are established by the equivalent circuit. The basic conditions for realizing the constant output and maintaining the zero phase angle state of the system are derived, and the internal relationship between the system gain and the variable structure compensation network parameters is revealed. At the same time, the control method of switching charging mode by sampling the current of the transmitting side is given. Finally, the variable structure compensation network of the system is verified by simulation and experiment.

Wireless charging, constant voltage, constant current, variable structure compensation, zero phase angle

TM724

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191711

湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金（18B072）和湖南省自然科學(xué)基金（2018JJ2400）資助項(xiàng)目。

2019-12-06

2020-01-17

譚平安 男，1979年生，博士，副教授，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸、機(jī)器學(xué)習(xí)。E-mail: tanpingan@126.com（通信作者）

廖佳威 男，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸。E-mail: 530638112@qq.com

（編輯 陳 誠）