基于频率切换策略的增益可调恒流恒压无线供电方法研究

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无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术通过电磁场耦合等方式,能够实现电能的非接触式传输。根据传输的方式,WPT技术可大致分为:电磁辐射式、电场耦合式及磁场耦合式(Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)。其中,MC-WPT由于灵活、损耗低、功率适应范围宽等优点,成为国内外学者研究的重点。MCWPT技术在水下设备供电、医疗植入设备供电、消费电子设备等领域都有着广泛的应用潜力。目前,MC-WPT的一个重要的应用领域就是为锂电池充电。锂电池的充电要求为初期恒流(constant current,CC)充电后期恒压(constant voltage,CV)充电,因此,为锂电池充电的系统需要先后实现CC输出与CV输出。目前,实现恒流恒压充电的方式主要分为三大类:第一类是在系统中增加控制算法对CC/CV输出进行控制;第二类是利用交流开关切换拓扑结构,通过复合拓扑结构实现CC/CV输出;第三类是将CC/CV分别设置在两个工作频率,通过频率切换CC与CV模式。以上三类方式各有优劣,且都存在共同的缺点:恒流模式的跨导增益与恒压模式的电压增益无法改变,导致供电对象单一。针对上述问题,本课题在频率切换CC/CV模式基础上,提出一种跨导增益与电压增益可调节的恒流恒压无线充电方法。首先,选用四线圈串联补偿结构并进行建模与分析,利用数学推导得出系统满足CC与CV且增益可调的条件,并给出跨导增益、电压增益与补偿电容之间的等量关系。其次,通过阻抗角对该拓扑进行零相位角(zero phase angle,ZPA)分析,保证在每个工作状态下都满足ZPA条件。最后,搭建实验模型以验证所提方法的可行性。该方法能够分别在两个频率点实现CC输出与CV输出,且切换时只需改变激励频率。此外,两个工作状态所对应的跨导增益与电压增益可以通过耦合线圈的串联补偿电容进行调节,从而摒弃了充电电流与充电电压必须为固定值的缺点,理论上可以根据电池的要求实现任何值的输出。所提方法通过实验在78.7KHz实现了2.23A的CC输出,在89KHz实现了27V的CV输出,最高效率达到91.3%,且每个工作状态下都满足ZPA条件。实验结果表明,所提方法能够在较高效率下实现以下结果:频率控制CC、CV模式,补偿电容调节增益,满足ZPA条件,与预期效果一致。
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