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会员 基于并联电感补偿的应用于电池充电的感应式无线电能传输系统的分析与设计
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  • 作者:
    罗时英  , 马皓  
  • 页数:
    6
  • 页码:
    1412 - 1417
  • 资源:
  • 文件大小:
    0.91M
摘要
锂电池由于具有高能量密度,在很多应用场合被用于存储能量。典型的锂电池充电曲线如图1所示,其具有恒流充电(CC)和恒压充电(CV)两个阶段 [3]。在恒流阶段,输出电压逐渐上升,充电到额定电压后切换到恒压阶段,输出电流逐渐下降。目前实现恒压恒流充电的方法可以分为以下几类:1)施加控制策略;2)利用交流开关构成混合拓扑;3)在单个拓扑不同频率点分别实现恒压和恒流。 文献[3]介绍了具有固定脉宽的脉冲频率调制法(PFM),其可以被用于恒压恒流充电的控制并且可以实现零电压开通(ZVS)[3]。然而PFM需要较宽的频率范围来匹配负载,并且工作中较大的输入相角也会增大逆变器电流。此外,也可以通过在前后级添加级联的dc-dc来构成多级传输系统从而实现恒压恒流充电[ 4 ]。前后级dc-dc引入了两个控制量, 并且副边的dc-dc可以用有源整流替代。文献[5]通过有源整流的相角调制和原边逆变器的PFM的协调控制来实现恒压恒流充电及ZVS[ 5 ]。虽然多级系统和有源整流引入了额外的控制量,但是同时也带来了额外的损耗和成本。 另一种方法是通过结合具有不同输出特性的拓扑构成混合拓扑。研究表明,四种基本拓扑(S/S、 S/P、P/S、P/P)天然具有恒压输出和恒流输出其中之一,并且可以实现零相角(ZPA) [ 6 ]。ZPA的实现不仅可以最小化电源视在功率,也能方便ZVS的实现。文献[7]基于T网络提出了更多潜在混合拓扑[7], 文献[8]切换线圈构成混合拓扑[8]。上述这些系统需要额外的交流开关来在充电模式转换时切换拓扑, 并且在单一充电模式下会存在许多空闲的元件。 此外,部分研究聚焦于单个拓扑在两个频率点 (f cc,f cv)分别实现CC-ZPA和CV-ZPA。文献[9]中提出了一族高阶补偿拓扑,其可以实现负载无关的CC-ZPA或CV-ZPA,但文献没有分析拓扑是否可以同时实现CC-ZPA与CV-ZPA[9]。在文献[10]和[11] 中。利用双边LCC拓扑同时实现了CC-ZPA与CV-ZPA[10],[11]。但是双边LCC拓扑被发现具有多个可以实现CC-ZPA和CV-ZPA的频率点,这说明拓扑阶数过高。为了减少元件数量,文献[12]提出了同时实现CC-ZPA和CV-ZPA的最小元件数量的结构,并使用SSP拓扑进行了实验[12]。然而参数设计过程中一旦f cc和f cv确定,就无法设计增益和跨导, 导致在恒压和恒流两个阶段需要调整输入电压。 为了实现恒压恒流充电、减小元件数量、实现接近零相角,本文提出了名为串联/串联-并联电感 (S/S-L)和并联电感-串联/串联(L-S/S)的补偿拓扑。 即使f cc和f cv确定,电路的跨导和增益仍然可以设计。拓扑的分析和设计基于回转器[13],因为它提供了一种清晰的方法来分析谐振网络,且无需复杂的电路方程。文中第三节总结了设计过程。为了实现ZVS,参数在实验阶段略有调整。在实验过程中通过微调工作频率从而在恒流模式下实现ZVS以及在恒压模式下获得更高的输出精度。所提方法在2kW的实验样机上得到了验证。
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