具有恒流恒压输出特性的磁耦合无线电能传输系统设计

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无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)是一种新兴技术,可以将电力从初级侧通过无线方式输送到次级侧而无需物理接触,它被认为是未来电力传输系统的新兴选择。给电池充电时,需要使用恒流(Constant Current,CC)和恒压(Constant Voltage,CV)混合模式充电,以确保电池的长寿命和最大容量利用率。因此,研究具有CC/CV特性的WPT系统具有重要的意义。本文设计了一种更易控制的适用于锂电池CC/CV混合模式充电的磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically Coupled Resonance Wireless Power Transmission,MCR-WPT)系统,该系统通过匹配电路实现CC/CV输出。具体来讲,利用LCLP实现恒流输出,LCL-S实现恒压输出,并且本文从电路理论上证明了两套拓扑分别具有CC或CV特性。该系统的优点是无需增加额外的无线数据通信链路,也不需要多个频率的切换来设置CC/CV模式。利用接收电路来实现电池充电而无需额外的电池管理电路,根据电池状态自主切换WPT的电路拓扑,而不需要额外的DC-DC电路或有源整流桥来维持CC/CV模式,从而降低了电路的硬件复杂度和软件控制的复杂度,进一步提高了系统的整体效率。此外,本文针对LCL-P拓扑和LCL-S拓扑分别求解出功率和效率的表达式,通过建立三维坐标图简要分析了两种不同拓扑的特性。为了提高电能传输的总功率,在初级侧使用闭环的PI算法实现初级线圈内电流最大化,降低了实际应用中器件带来的系统误差,提高了系统在CC/CV模式的稳定性和效率。通过数学理论分析、软件仿真和实验验证了所提出的方案的可行性。最后,通过软件仿真和实物实验验证了所提出的WPT系统具有CC/CV模式输出特性,文中给出了系统各个模块的示波器波形分析和系统工作在CC/CV模式下负载电压电流的变化波形图。实验结果表明,当负载电阻从5Ω变化到20Ω时,CC模式下负载电流变化小于3%,CV模式下负载电压变化小于5%。该方案适合于低成本高效率的中小功率MCR-WPT充电系统。
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