单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计_丁祥昱.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-03-08 修改日期:2023-04-23 基金项目:国家自然科学基金项目（51877113）；教育部产学合作协同育人项目（202002109017）作者简介:丁祥昱（1997），男，山东济南，硕士研究生，主要研究方向为无线电能传输技术，。通信作者:王春芳（1964），男，山东青岛，博士，教授，主要研究方向为电能变换技术与新能源开发技术，。引文格式:丁祥昱，王春芳，魏芝浩，等.单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计J.实验技术与管理,2023,40(8):170-175.Cite this article:DING X Y,WANG C F,WEI Z H,et al.Design of single-switch parallel constant current constant voltage wireless charging experimental platformJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):170-175.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.025 单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计 丁祥昱，王春芳，魏芝浩，李卓玥，罗海云（青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 266071）摘 要：采用全桥逆变电路的无线电能传输（wireless power transfer，WPT）系统存在直通问题，采用单管逆变电路的 WPT 功率有限。该文提出一种基于单管多重并联结构的恒流恒压 WPT 方案，并搭建实验平台验证其有效性。首先，使用 S-LCL/S 补偿网络实现恒流恒压输出，并通过 Saber 仿真系统搭建了单管多重并联恒流恒压无线充电系统模型；然后，使用 Maxwell 有限元法对磁耦合器进行仿真设计，并借助仿真结果搭建实验平台，验证方案的正确性。该实验平台包括多种硬件和软件，可以加深学生对电力电子知识的理解，提高学生的科研实践能力。关键词：无线充电；单管逆变电路；多重并联；恒流输出；恒压输出 中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)08-0170-06 Design of single-switch parallel constant current constant voltage wireless charging experimental platform DING Xiangyu,WANG Chunfang,WEI Zhihao,LI Zhuoyue,LUO Haiyun(School of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China)Abstract:The wireless power transfer(WPT)system with full-bridge inverter circuit has shoot-through problem,and the WPT power with single-switch inverter circuit is limited.In this paper,a constant current and constant voltage WPT scheme based on single-tube multi-parallel structure is proposed,and an experimental platform is built to verify its effectiveness.Firstly,the S-LCL/S compensation network is used to realize the constant current and constant voltage output,and the single-switch multi-parallel constant current and constant voltage wireless charging system model is built by Saber simulation system.Then,the Maxwell finite element method is used to simulate the magnetic coupler,and the experimental platform is built with the help of the simulation results to verify the correctness of the scheme.The experimental platform includes a variety of hardware and software,which can deepen students understanding of power electronics knowledge and improve students scientific research and practice ability.Key words:wireless charging;single-switch inverter circuit;multiple-parallel connection;constant current output;constant voltage output 无线电能传输（wireless power transfer，WPT）技术是当前电气工程领域的研究热点，也是未来十大科研方向之一1。随着工业互联网、物联网、人工智能和 5G 等信息技术的发展，WPT 技术已被国家纳入 能源技术革命创新行动计划（20162030 年），被世界经济论坛评为十大新兴技术之首2。WPT 技术具有安全、可靠、灵活和非接触供电等特点，在诸多领域得到广泛的应用3。随着电动汽车产业的迅速发展，WPT 已成为实现电动汽车非接触充电的关键技术4-7。目前，电动汽车的续航里程普遍不足，是影响电动汽车推广的主要因素。电动汽车电池的大容量化是必然趋势，因此亟需研发能缩短充电时 丁祥昱，等：单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计 171 间的大功率的无线充电设备。目前的单套电路无法满足大容量电池充电的要求，为实现大功率充电，需要通过全桥逆变电路并机或半桥逆变电路并机，然而这些电路均存在直通问题，控制复杂且难以增加冗余并机。相比之下，单管逆变电路无直通问题，具有高可靠性和简单易控制等特点8-9，但存在电路输出功率小的缺点10。文献11使用 BP-Q线圈对发射线圈进行解耦，实现两套单管逆变电路的并机，提高了输出功率，然而磁耦合器结构复杂，难以实现多机并联；文献12通过 DDQ 线圈实现了两套单管逆变电路并机，然而磁耦合器结构复杂，难以实现恒流输出；文献13通过改变开关频率实现了恒流恒压，但其输出功率较小；文献14优化了变开关频率恒流恒压输出拓扑，功率有所提高；文献15使用带均流线圈的 LC 增流多重并联拓扑架构提高了输出功率，然而该结构只能实现恒压输出，难以应用于电动汽车充电。1 无线充电系统分析与设计 为了实现大容量电池充电，本文在单管逆变磁集成并联电路15的基础上，在接收端增加了具有恒流恒压输出特性的 S-LCL/S 补偿网络，并搭建仿真模型和实验平台，验证该方案的正确性。实验平台由硬件和软件两部分组成，硬件部分为单管多重并联恒流恒压无线充电系统，软件部分采用 Saber 仿真系统搭建电路模型，结合仿真验证恒流恒压供电和软开关特性，使用 Maxwell 对磁耦合器进行建模和有限元法分析。通过仿真与实验的结合，不仅能加深学生对 WPT 技术的理解，还能提高学生的综合实践技能。1.1 无线充电系统建模与分析 单管 LC 谐振逆变等效电路，如图 1 所示。Q 为开关管，Cx为谐振电容，Lx为谐振电感，DCU为直流电源，Ze为二次回路阻抗与互感抗通过互感反映到一次侧的等效阻抗，xLi为流经 Lx的电流，xCu为 Cx上的电压。当 MOSFET 在导通状态时，Cx的电压值被箝位于输入电压 UDC；当 MOSFET 关断后，Lx和 Cx产生串联谐振。图 1 单管 LC 谐振逆变等效电路 单管多重并联恒流恒压无线充电系统电路如图2所示，原边可看作是 n 重单管逆变器并联。Qi(1in)为单管电路中的 MOSFETs；Lx,i(1in)为纳米复合磁粉芯电感，Cx,i(1in)为谐振电容，两者均用于确保单管逆变电路正常工作；ICTi(1in)为均流耦合电感；Lc,i(1in)和 Cc,i(1in)分别为将电压源转换为电流源的增流电感和增流电容；Cp为原边串联补偿电容；Lp为发射线圈自感；Ls为接收线圈自感；Ls1为副边纳米复合磁粉芯电感；M 为原副边线圈互感；Cs,1和 Cs,2均为副边补偿电容；Di(1i4)为整流二极管；Co为输出滤波电容；UB和 IB分别为输出负载电压和输出负载电流。K 为单刀双掷开关，用于切换恒流和恒压两种不同的输出方式。电路中应用了具有恒流恒压输出特性的 S-LCL/S 补偿网络，当 K 与Cs,1连接时，二次侧可视为 P 补偿网络，电路工作在恒流模式；当单刀双掷开关 K 与 Cs,2连接时，二次侧可视为 S 补偿网络，电路工作在恒压模式。采用对称矩形线圈作为磁耦合器。图 2 单管多重并联恒流恒压无线充电系统电路 为便于分析电路，图 3 展示了单管多重并联恒流恒压无线充电系统的等效电路，图中的 Cx,i(1in)的电压即为该系统等效输入电压in,iU?(1in)。in,iI?(1in)为各并联支路电路，c,iI?为流经增流电容 Cc,i的电流，pU?为发射线圈电压，Req为等效输出电阻，rp,i、rp和 rs均为元器件内阻，为电路的谐振角频率。假设均流耦合电感 ICTi(1in)使用的磁芯材料、原边匝数和副边匝数等均相同。即 ICT pICT sICTiiiLLM=（1）式中，LICTip为 ICTi初级自感；LICTis为 ICTi次级自感；MICTi为 ICTi互感。由于内阻很小，在下文推导中可忽略不计。假设各支路参数相同，即c,1c,2cLLL=，c,1c,2CC=cC=。当开关频率相同时，各支路等效输入电压in,iU?(1in)也相同，即in,1in,2inUUU=?。172 实 验 技 术 与 管 理 图 3 原边等效电路 根据戴维南/诺顿等效定律，进一步化简电路，可得图 4 所示的等效电路。图 4 恒流恒压输出等效电路 恒流恒压输出等效电路应满足以下条件：ininpcppss,1s,1s2s,1s,21()11UIInj LjLMj Cj Lj Cj Lj LL C=|-=-|=-|=|-?（2）式中，为电路的谐振角频率，pI?是原边线圈上的电流。1.2 恒流和恒压输出模式分析 单管多重并联恒流恒压无线充电系统的副边使用K 切换恒流模式与恒压模式。当实验平台处于恒流输出模式时，K 与 Cs,1连接，Cs,2处于开路状态，恒流模式的等效电路如图 5 所示，二次侧补偿网络可视为 P补偿网络。恒流模式的等效电路的简化模型如图 5(b)所示，对图 5(a)进行戴维南/诺顿等效变换后的等效电路如图 5(c)所示。在恒流模式下应满足以下条件：ppss,11()1jLMj Cj Lj C-=-|=-|（3）图 5 恒流模式等效电路 式中：是电路的谐振角频率，2f=；f为系统频率，f=85 kHz。在恒流模式等效电路模型中，与负载无关的输出电流为 inocsnU MIj L L=?（4）由式（4）可得，输出电流（恒流源）受 M、n、增流 LC 网络的影响。当实验平台处于恒压输出模式时，K 与 Cs,2连接，Cs,1处于开路状态，恒压模式等效电路模型，如图 6所示，二次侧补偿网络可视为 S 补偿网络。对图 6(a)进行戴维南/诺顿等效变换后的等效电路，如图6(c)所示。在恒压模式下应满足以下条件：pps,1s2s,1s,22s,1s,22s,11()11jLMj Cj Lj LL CL CCL|-=-|=-|-|=|（5）式中，C为 LS,1与 Cs,2并联后的等值电容。丁祥昱，等：单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计 173 图 6 恒压模式等效电路 在恒压模式等效电路模型中，与负载无关的输出电压为 inocnMUUL=?（6）由式（6）可知，输出电压（恒压源）受 M、n、增流 LC 网络的影响。1.3 磁耦合器设计 本文选用纳米晶复合屏蔽层电动汽车无线充电专用磁耦合器。该磁耦合器的屏蔽层通过计算优化16，将结构中的厚度4 mm的铁氧体磁片替换为厚度2 mm的铁氧体磁片，并在铁氧体磁片与铝板电屏蔽层间加入 5 层厚度为 0.02 mm 的纳米晶带材，此外用 0.3 mm厚的铝箔替代原来 1 mm 厚的铝板。纳米晶带材有以下 3 个作用：纳米晶带材的质量比铁氧体轻，因此用纳米晶带材代替部分铁氧体有助于减少屏蔽层的厚度和质量；纳米晶带材能够为磁通提供低磁阻路径，降低铁氧体磁片缝隙产生的漏磁；纳米晶带材的多层结构可对磁场进行多次衰减，具有较好的屏蔽效果。新型磁耦合器结构如图 7 所示。新型磁耦合器的原边线圈和副边线圈匝数均为 9；传输距离 120 mm。图 7 磁耦合器结构示意图 在 Maxwell 软件中使用方形等效线圈建模，可有效地利用计算机内存，提高计算速度，并且平面方形线圈具有耦合系数高、磁场范围大、线圈结构与电动汽车底盘契合度高等特点。耦合线圈使用线径为 4 mm的 0.1 mm2500 股利兹线绕制而成。铁氧体层采用新型双层结构，磁芯结构如图 8 所示。在传输同等功率的情况下，将 4 mm 厚的锰锌铁氧体片替换成 2 mm 厚的，同时将最外层 1 mm 厚的铝板替换成0.3 mm厚的铝箔。使用36块100 mm50 mm的铁氧体块，第一层（靠近线圈）铺设 8 块，第二层铺设 28 块。图 8 磁芯结构示意图 在铁氧体层和铝箔层之间加入多层纳米晶屏蔽层。纳米晶带材选用 BTB-NMJ-001，相对磁导率为800；纳米晶屏蔽层总厚度为 0.1 mm，共包括 5 层厚度为 0.02 mm 的纳米晶带材。图 9 为磁耦合器。图 9 磁耦合器 2 系统仿真和实验验证 2.1 系统仿真 采用 Saber 仿真系统，仿真与实验均采用三组并联，验证方案的正确性。在仿真和实验中，输入电压311 V，恒流模式下的输出电流 6.5 A，恒压模式下的输出电压 350 V，开关频率为 85 kHz，详细的仿真参数如表 1 所示。仿真结果如图 10 所示，可知该电路实现了零电压174 实 验 技 术 与 管 理 软开关，软开关裕量为 418.9 ns。其中，Ugs为开关管的栅源电压，Uds为开关管的漏源电压。表 3 仿真参数 符号 取值 符号 取值 f/kHz 85 pC/nF 89.9 D 0.49 pL/H 60 ZVSt 5%sL/H 60 DCU/V 311 M/H 21 x,1x,2x,3,CCC/nF 30 s,1C/nF 58.4 x,1x,2x,3,LLL/H 93 s,2C/nF 132 c,1c,2c,3,CCC/nF 45 s,1L/H 47.7 c,1c,2c,3,LLL/H 77.9 oC/F 470 ICT1ICT2ICT3,kkk 1 注：f为频率；D为占空比。图 10 仿真结果 2.2 实验验证 为验证单管多重并联恒流恒压无线充电系统的正确性与可行性，搭建了一台 2.4 kW 的实验样机，如图 11所示。该实验平台由原边补偿电路、副边电路、控制板、磁耦合器、示波器和电子负载等组成。实验中使用的 311 V 直流电源是由 AN97010H 交流电源整流得到。Q1、Q2和 Q3为 SiC MOSFETs，型号为 C2M0045170D；补偿电容均采用金属聚丙烯薄膜电容（CBB）。Lx、Lc和 Ls,1磁芯型号为 KAM184-026A；副边高频整流桥整流二极管采用型号为肖特基二极管C3D20060D；主控制芯片型号为 STM32F103RCT6，使用 IR2110 驱动芯片产生 15 V 开关管驱动信号；电子负载型号为 IT8616；示波器型号为 DSOX1102G，用于观察实验波形。图 11 三重并联实验样机 实验中输出功率范围为 1 0002 400 W，恒流模式下的负载电阻变化范围为 2050，恒压模式下的负载电阻变化范围为 50100。为验证实验过程中是否可实现零电压开通（ZVS），在实验中测量了 Q1在最小和最大负载条件下的 ZVS 波形，如图 12 所示。实验表明，在负载电阻 20100 时，均可以实现 ZVS。恒流模式不同负载情况下，实验样机的实测输出电流如图 13 所示，因元器件存在寄生阻抗等非理想参数的影响，元器件实际值与理论值存在误差，导致当负载的电阻值增大时，输出电流呈略微下降趋势，但输出电流基本稳定在 6.5 A 左右，满足负载对恒流输出的要求。(a)RB=20 (b)RB=100 图 12 软开关波形 丁祥昱，等：单管多重并联恒流恒压无线充电实验平台设计 175 图 13 恒流特性曲线 在恒压模式不同负载情况下，实验样机的实测输出电压如图 14 所示，同样因元器件存在寄生阻抗等非理想参数的影响，导致当负载的电阻值增大时，输出电压呈略微上升趋势，但输出电压基本稳定在 350 V左右，满足负载对恒压输出的要求。图 14 恒压特性曲线 在额定功率工况下，电子负载仪显示：负载为50，输出电压为 343.68 V。在实验中，通过交/直流参数测量仪（PZ9902U）获得输入参数，通过电子负载仪（IT8616）获得输出参数，传输效率与负载的关系如图 15 所示。RB=50时，在恒流模式下的最大传输效率为 91.4%；在恒压模式下的最大效率为 90.5%。图 15 系统效率变化图 3 结语 本文提出了一种基于单管多重并联结构和 S-LCL/S补偿网络的恒流恒压无线充电方案，并搭建了实验平台，弥补电力电子教学中缺乏 WPT 技术实验平台的不足。本文结合电力电子技术和工程电磁场等知识，使用软件仿真设计系统主电路参数和磁耦合器，有助于学生全面认知 WPT 原理，提高学生分析系统电路的能力。此外，本文根据仿真结果搭建了硬件实验平台，并测量了不同负载下的传输效率、开关波形和输出电压。该实验平台使用 Maxwell、Saber 等仿真软件，融合了多门基础课程的理论知识，可帮助学生学会利用理论分析、仿真和实验等方法分析和解决工程实际问题，提升学生的创新和实践能力。参考文献(References)1 陈阳，杨斌，彭云尔，等.感应式无线电能传输系统抗偏移技术研究综述J/OL.中国电机工程学报，(2023-03-29)2023-03-30.http:/ 苏玉刚，侯信宇，戴欣.磁耦合无线电能传输系统异物检测技术综述J.中国电机工程学报，2021,41(2):715727.3 王少博，王春芳，杨凌云.旋转轴上状态检测装置的无线供电综合实验平台建设J.实验技术与管理,2022,39(10):145150.4 宋凯,朱春波,李阳,等.用于电动汽车动态供电的多初级绕组并联无线电能传输技术J.中国电机工程学报，2015(17):44454453.5 苏玉刚，侯信宇，戴欣.磁耦合WPT系统异物检测技术综述J.中国电机工程学报，2021,41(2):715727.6 庄廷伟，姚友素，袁悦，等.基于DDQ/DD耦合机构的强抗偏移电动汽车用无线充电系统J.中国电机工程学报，2022,42(15):5675-5684.7 麦瑞坤，陈阳，张友源，等.基于变次级补偿参数的感应式无线充电系统研究J.中国电机工程学报，2017,37(11):3263 3269.8 李厚基，王春芳，岳睿，等.基于SiC器件的单管无线电能传输电路研究J.中国电机工程学报，2020,40(6):1808 1816.9 王春芳，陈杰民，李聃，等.零电压导通、零电压关断单管无线电能传输电源J.电工技术学报，2015,30(4):203208.10 YUE R,WANG C,LI H,et al.Constant-voltage and constant-current output using p-clcl compensation circuit for single-switch inductive power transferJ.IEEE 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