基于次级改进型有源整流的无线电能传输系统_黄钦鸿.pdf

第 卷第期年月电力 电子技术，基于次级改进型有源整流的无线电能传输系统黄钦鸿，李优新，李志忠，李杰帆（广东工业大 学，信息工程 学院，广东广州）摘要：在 无 线电能传 输（）系统中，为了降低系统 接收端复 杂度且控制输出，出现了次级有源整流的整流模式，针对现有控制 方法 存在非阻性阻抗下效率低、控制策略设计复杂等问题，在此提出 了次级 改进型 有源整流控制策略，降低了开关管的导通损耗及开关 损耗，实现了效率优化，无需额外并联二极管也可保证效率，降低了系统成本，且控制方法简便，可实现恒流恒压输出控制，适用于电池充电的应用场 景。首先介绍了系统结构与工作模态，其次详细分 析了次 级 改进型有源整流提升效 率及控制输出的原理，同时 给出了具 体的控制框图。最后设 计了系统 在恒流模式下输出和恒压模式下输出的验证装置，变负载下可实现恒 定输出控制及模 式切换，验证了系统的可行性和稳定性。关键词：无 线电能传输；有源整流；控制策略；电池充电中图分 类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），？，？，？，：；：（）引言可以避免用 电设备与电网的直接连接，具有灵活、安全等优点，克服了电接触的不稳定性、电气设备移 动的 局限性 等问题，成为有 线供电模 式的重要补充。的 负载多为电池或者电机负载，电池充电一般是 先恒流充至额 定电压 再恒压充电，因此需要系统 既可实现恒压输出，也可基金项目：国家自然科学基金（）定稿日期：作 者简 介：黄钦鸿（），男，硕士研究生，研究方向为无线电能传输。实现恒流输出。于是整流部分的设计显得尤为重 要，其效率还会影响整个系统的传输效率。文献将半控整流应用于系统接收 端，通 过改变开关管的导通延迟角实现对输出的控制，会导致 谐 振电流与整 流电路 输入电压存在相位差，在非阻性阻抗下，系统 效 率明显降低。文献提出的控制方法解决了谐振电流与整流电路输入电压存在相 位差的问题，但产生 开关序列的控制环路设计 复杂，增加了系统成本，每个周期内两个开关管均有两 次完整开关过程，增 加了开关损 耗。此处 设计了基于次级改进型 有源整流的系统，通过采样输出电压、电流以及接收端谐振电基于次级改进型有源整流的无线电能传输系统流，送入控制电路，实 时控制半控整流开关管的占空比，可以实现变负载下恒定输出控制效果，提高了系统电能传输 效 率，简化了现 有控制策略，且降低了成本。系统结构 与工作模态这里所介绍的采用补偿 拓扑的、次级可控有源整流的系统如图所示，主要包括个部分，即高频 逆变器、发射端及接收端补 偿网络、有源整流器。高频逆变器由两个，构成，发射端 补 偿网络 包括，（；，接收端 补 偿网络包括，两个二极管，和两个，构 成 有源整流器。为输出电容，为系统负载，为 发射、接收 线圈的互感。，）：；：峰池嘁图系统结 构 框图接收端工作波形见图，依次为谐振电流，开 关 管控制 信号和，整 流电路 输入电压以及 整流电路输出电流。首？，？，模态丨模态後忐忐模 态模态图接 收 端关键波形 模态过 零后且为正向流动时，导通和乂流经后 再通过形 成回路，不经过作为负载的蓄 电池。在此模态下，为零，为零，电池的充电能量由。提供，如图所示。模态仍为正向流动，截止，导通，流经，向，和蓄电池提供能量，再流经形成回路，该模态为 整流模式。在此模 态下，为充电电压，如图所示。模态过零后且为负向流动时，导通，流经后再通 过形 成回路，不经过作 为负载的蓄电池。在此模态下，为零，为零，蓄电池的充电能量由。提供，如图所 示。模态仍 为负向流动，导通，截止乂流经，向。和蓄电池提供 能量，再流经形成回路，该模态为整流模式。在此模态下，为如图所：。（）模态（）模态图工作模态图原理分析通过电流采样提取出的频率 和相位与输出参考比较，得到半控整流关键开关序列。实现谐振电流与 整流电路 输入电压同相位，解决了因与存 在相位差而导致系统 在 非阻性负载下无功功率 大的问题。在现有的半控整流控制方法下，单 个周期内，每 个都有两次完整的开 关过程。这里提出的控制方法效率 提升的原理在于减少了开 关 次数，降低了开关损 耗，同时由于的 导通压降 小于其体二极管的导通压降，降低了导通损耗。于是在 低压大电流的应用场合中，该 方法带来的效率 提 升效 果更加显著，即使不在两个上并联二极管也可以达到 高效率，同时该方法可达到控制输出的效果，且控制 简便。忽略系统内阻影响时，电流表达式 为：（，）（）的基波 分量记为，其表达式 为：（）（）式中：为乂在；，正半周和乂在负半周时的导通角度，？基波分量与谐振电流零 相位差，于 是为：（）式中：为的有效值。当系统 稳定时，。在一个开关周期内表示为：第卷第期年月电 力 电子技术，？（）联立式（），（）可得与输出电流的关系为：（）（）由式（），（）可得，接 收端等效负载为：）于是可以得 到发射端逆变后的等效阻抗的表达式为：（）（）式中：，为电感器的阻 抗；为电容器的阻抗。因与，谐振，与，和谐振，故 式（）可化简为：，（）（）将式（），（），（），（）代入电压增 益计算公式可以得到 系统电压增益表达式为：，由式（）可知，与匕为定值的情况下，导通角增大时，系统电压增益增 大，于是可以通过改变的导通时间调整 系统电压 增益，达到控制输出电压的效 果。输出电流表达式为：（）由式（）可知，当输入电压不变，札变化 时，通过调节可以控制输出电流的恒定。输出闭环控制方法图为控制环路 策略框图。“电压控制电流控 制图控制环路策略框图通过 低通滤波器（）处理后提取出频 率与相位，检测输出电压或电流经过运放后作 为 参考比较值，在比较器中与谐振电流信号及其反相信 号 进 行比较，实现可控整流电路的同相控制。在输出值大于参考值 时，模 态和模 态的工作时间会减小，即减小在正半周的导通角 以及乂在负半周的导通角。在 输出值小于参考值时，模态和模态的工作 时间会增加，即增加在正半周的导通角及乂在负半周的导通角。在此输出控制方法下，电压环的和电流环的通过控制和（，进而计算出；和，通过对和的比较对系统进行输出模式的切换，可实现对电池充电先恒流后恒压的控制，适用于电池充电的应用场景。实验为了验证所提系统的可行性，搭建了相应的实验平台进行测试。这里所设计系统的主要参数为：队，系统工作 频率，？，。图为系统恒流输出实验波形。图恒流输出实验波形 图，为 不同 负载情况下恒流输出的系统关键波形，包 括，波形。当负载增大 时，系统通 过增加￥在正半周的导通角及在负半周 的 导通角，实现对输出电流的控制。图示出输出 电流及效 率随负载变化曲线。图输出电流及效率随负载变化曲线 由图可以看出，负载电阻札发 生变化 时，。基本保持不变，效率也 能维 持在较 高水平，峰 值效率可以达到，验证了理论分析中 的恒流输出控制方法。图示出恒压输出实验波形。图，分 别 为不同负载情况下 恒压输出的系统 关键波形，包括？波形。基于次级改进型有源整流的无线电能传输系统简便的控制方法以及更低的系统成本。主要分析了次级改进型有源整流的无 线电能传输系统的工作模态，改进型有源整流提升系统传 输效率的原理，结合具体的补偿网络分析了电压输出、等效綸入抗、电压增 益、输出电流与导通角 的关合控制策略对如何实现恒定输出进行，最 后搭建 实验平台，通过负载变化响专统输出的稳定性。系统恒定输出的控弓于锂电池充电等应用场景，具有一定章鹏程，祝丽花，等无线电能传输技术的关技术 瓶颈问题电工技 术 学报，（）：，；屯贏，葛树昆，等具备恒压特性的感 应能传 输系统电工技术学 报，（）：司步 整流在无线电能传 输系统中 的运用每交通大学，；）：，；，（）：，！：；电力电子技术唯一使用 的投 稿隹西安电力电子技术期 刊社（）负载下（负载下图恒压输出实验波形 图示出输出电压及效率随 负载变化曲线。由图可以看出，负载 发生变化时，系统输出电压基本保持不变，验证了理论分析中的恒压输出控制方法。随 着负载继续 增 大，效率先升后降，但始终大于。最后是切换实验，系统不仅要能 实现恒流恒压输出，还要依据次 级状态的变化 实现对恒流到恒压模 式的切换。图输出电压及效率随 负载变化曲线 图示出在 充电过程中，充电 电压 和 充电 电流的曲线图。图充电过 程充电 电压和电流曲线 结论在此针 对补偿网络的系统，在接收端使用改进型有源整流 控制来实现对输出的控制，对比现有半控整流控制方法有更高的效率、更系，其次结了解释说明应，制方式，的实用意 义验证了适月参考文献杨庆新，：刘闯，刘喜声上海：上；，：，東从从衷來双从从从哀火从从从从从从从从义从从从从从从束表郑重声明我 刊郑重声明：电力电子技术杂志 唯一公开的门户网站是：邮箱是：；电力电子技术唯一联系电话是：。特此声明！（）、（垄（）、（、