- 頭條內蒙古工大科研人員提出一種新型混合自切換的諧振式無線充電系統2022-11-03 作者：郭星、劉利強 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決傳統變靜態補償設計方法中無源元件和開關數量過多、參數選擇困難等問題，內蒙古工業大學電力學院、北京工業大學信息學部自動化學院的研究人員郭星、劉利強、齊詠生、高學金、李永亭，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于LCL-LCL/S混合自切換諧振式無線充電系統，無需原、副邊通信和增加任何無源元件，僅通過LCL結構的自投切操作更改拓撲網絡來實現無線充電系統恒流恒壓的切換。
無線電能傳輸可以避免用電設備直接接觸電源，具有安全、可靠和經濟等諸多優點。相比于傳統的有線電能傳輸，避免了外露通電接點和頻繁插拔的缺點，保障了電能傳輸的安全性與可靠性。因此無線電能傳輸的研究具有廣闊的發展前景。
常用的無線電能傳輸技術有磁耦合感應式和磁耦合諧振式等。磁耦合感應式無線電能傳輸（Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer, MCI-WPT）方式，能量傳輸效率低，傳輸距離為mm級，但電路設計簡單，一般用于低成本微功率場合。磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically- Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR- WPT）方式，能量傳輸功率可達幾kW，具有傳輸功率大、傳輸效率高、傳輸距離遠等特點。因此，MCR-WPT技術已經廣泛應用于電動汽車、醫療裝置、機器人充電以及軌道交通的供能等領域。
隨著機器人技術的快速發展，機器人正在各領域中扮演著不可或缺的角色。電力行業的發展也不例外，電力巡檢機器人具有安全、可靠和精準等優點，已日漸取代人工巡檢的方式。然而機器人現有的充電方式都是接觸式充電，其存在電火花、漏電和線路老化等弊端，嚴重威脅著電力系統的安全運行。將MCR-WPT技術應用于電力巡檢機器人充電，可以有效解決此類弊端，具有重要的意義，也是目前的研究熱點。
由于機器人需要獨立工作，其供電系統一般采用蓄電池或鋰電池。由典型的蓄電池或鋰電池充電曲線可知，充電過程可以分為恒流充電（Constant Current, CC）和恒壓充電（Constant Voltage, CV）兩個階段。將恒流恒壓充電與無線電能傳輸技術相結合是實現電池安全、可靠充電的保障。
目前基于MCR-WPT的恒流恒壓充電的實現方法大致可分為兩類：一類為動態調節法；另一類為變靜態補償法。
動態調節法主要包括在原邊或副邊加入直流-直流（DC-DC）變換電路、移相控制、變頻控制等方式。這些控制方式雖然控制精度高、調節范圍廣，且大多數不占用充電設備有限空間，然而它們都需要原、副邊之間通信，增加了系統控制的復雜度和成本，且進行跳頻控制時，頻率的變化會影響系統的穩定性，有時易引起頻率分裂現象。
變靜態補償法主要包含混合補償等方式。具有CC或CV輸出特性的不同無源諧振網絡進行組合，并使用開關進行狀態切換以此實現系統的恒流恒壓輸出。但是相關研究中系統所需添加的無源元件和開關數量眾多，不但增加了系統成本，而且諧振網絡參數都是依靠經驗選值，沒有考慮系統的負載特性，很難實現零相角（Zero Phase Angle, ZPA）特性，使得系統輸出效率普遍偏低。
為解決傳統變靜態補償設計方法中無源元件和開關數量過多、參數選擇困難等問題，內蒙古工業大學電力學院、北京工業大學信息學部自動化學院的研究人員郭星、劉利強、齊詠生、高學金、李永亭，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于LCL-LCL/S混合自切換諧振式無線充電系統，無需原、副邊通信和增加任何無源元件，僅通過LCL結構的自投切操作更改拓撲網絡來實現無線充電系統恒流恒壓的切換。
圖1 無線充電系統實驗平臺
他們首先依靠T型網絡分析恒流或恒壓輸出與輸入阻抗呈純阻性的關系；然后，引入混合型補償網絡數學模型，分析實現系統輸入電流和電壓之間零相角（ZPA）與恒流或恒壓輸出特性的參數配置條件；接著，依據蓄電池充電曲線特征、諧振電流閾值、電壓跳變閾值和耦合系數變化約束，進一步提出一種適用于混合諧振式拓撲網絡參數優化的設計方法，在避免諧振網絡參數經驗選值的局限性導致參數不確定性問題的同時，也為參數選取提供了理論依據；最后，搭建實驗平臺驗證該方案的可行性與有效性。
實驗結果表明，優化諧振網絡參數的無線充電系統具有較好的恒流恒壓輸出特性，系統最大傳輸效率為81%，完全滿足恒流恒壓無線充電需求，具有較好的工程應用價值。
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于LCL-LCL/S混合自切換諧振式無線充電系統”。本課題得到了國家自然科學基金和內蒙古自治區自然科學基金的支持。
