楊林 邵帥 余文彥 周學(xué)斌

摘? 要：由于傳統(tǒng)的插入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁雜且頻繁插拔容易發(fā)生電火花等危險(xiǎn)，因此無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）系統(tǒng)憑借其固有的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的研究，逐漸融入各種工業(yè)應(yīng)用中.為了確保電池的性能及使用壽命，有效地為電池提供所需的恒定充電電流和恒定充電電壓是非常必要的.然而在充電過(guò)程中，電池的等效電阻會(huì)發(fā)生顯著變化從而導(dǎo)致系統(tǒng)很難在近似零相位角（zero phase angle，ZPA）運(yùn)行下同時(shí)實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒流輸出和恒壓輸出.鑒于此，提出1種基于S/LCL補(bǔ)償?shù)腤PT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在2個(gè)固定頻率下實(shí)現(xiàn)具有ZPA運(yùn)行的恒流和恒壓輸出.最后，搭建了1臺(tái)恒流充電為3 A和恒壓充電為80 V的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的WPT系統(tǒng)的正確性和可行性.

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸;S/LCL;零相位角;恒流輸出;恒壓輸出

中圖分類號(hào)：TM724????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-2367（2024）03-0017-08

無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）能夠通過(guò)終端線圈之間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)電力傳輸，與傳統(tǒng)的插入式充電系統(tǒng)相比，WPT系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、零接觸的電力傳輸，具備安全、靈活以及能夠在惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn).因此，WPT系統(tǒng)備受關(guān)注，并已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域.如便攜式電子設(shè)備［1］、發(fā)光二極管（LED）照明應(yīng)用［2］、生物醫(yī)學(xué)植入物［3］，電動(dòng)汽車的無(wú)線充電［4］、水下應(yīng)用［5］等.

由于鋰離子電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、自放電率低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)［6］，因此被廣泛用作儲(chǔ)能裝置.在高效的充電應(yīng)用中，鋰電池的等效負(fù)載是非恒定的，并隨著充電時(shí)間不斷地增加.因此，為了保證電池性能，延長(zhǎng)電池使用壽命，應(yīng)根據(jù)電池充電規(guī)律設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可靠的恒流和恒壓混合輸出的WPT系統(tǒng).

為了設(shè)計(jì)在ZPA條件下具有恒流和恒壓輸出特性的WPT系統(tǒng)，近年來(lái)，學(xué)者們進(jìn)行了不斷創(chuàng)新.一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)電感和電容的連接方式不同，WPT系統(tǒng)具有4種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即串聯(lián)串聯(lián)（series-series，SS）、串聯(lián)并聯(lián)（series-parallel，SP）、并聯(lián)串聯(lián)（parallel-series，PS）和并聯(lián)并聯(lián)（parallel-parallel，PP）［7］.已經(jīng)證明，在特定參數(shù)下，SS和PS可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于負(fù)載的恒流輸出特性，而SP和PP可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于負(fù)載的恒壓輸出特性［8-9］.為了設(shè)計(jì)具有恒流和恒壓混合輸出特性的WPT系統(tǒng)，文獻(xiàn)［7］對(duì)上述4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行混合，提出SS和SP協(xié)同工作的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及PS和PP協(xié)同工作的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).此外，文獻(xiàn)［10］也通過(guò)設(shè)計(jì)合理的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了恒流和恒壓混合輸出的特性.然而，文獻(xiàn)［7，10］中設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出時(shí)需要在2個(gè)拓?fù)渲g切換，這不僅使系統(tǒng)的控制電路變得復(fù)雜，而且增加系統(tǒng)的成本和不穩(wěn)定性.以SS/SP混合拓?fù)錇槔?，從SS拓?fù)涞絊P拓?fù)涞倪^(guò)渡需要利用3個(gè)高頻交流開關(guān)，控制接收線

收稿日期：2023-07-18;修回日期：2023-10-18.

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（232102240057）；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（22B0803）；永州市2022年度指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022-YZKJZD-010），教育部高校學(xué)生司第二期供需對(duì)接就業(yè)育人項(xiàng)目（20230106677）.

作者簡(jiǎn)介：楊林（1991-），男，河南新鄉(xiāng)人，河南師范大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)、新型電力系統(tǒng)運(yùn)行控制等，E-mail：yang_lin@whu.edu.cn.

通信作者：周學(xué)斌，E-mail：zhouxuebin821025@huse.edu.cn.

引用本文：楊林，邵帥，余文彥，等.基于頻率切換的S/LCL補(bǔ)償恒流恒壓型WPT系統(tǒng)研究［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，52（3）：17-24.（Yang Lin，Shao Shuai，Yu Wenyan，et al.Research on S/LCL compensated constant current and constant voltage WPT system based on frequency switching［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2024，52（3）：17-24.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.07.18.0003.）

圈在2個(gè)不同值的補(bǔ)償電容器串聯(lián)和并聯(lián)之間切換［11］.PS/PP混合拓?fù)浼捌渌旌贤負(fù)渑c其相似.因此，混合拓?fù)淝袚Q方案不是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒流和恒壓輸出的最優(yōu)方案.鑒于此，文獻(xiàn)［12］推論驗(yàn)證了LCC-S補(bǔ)償WPT系統(tǒng)能夠在2個(gè)頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)具有ZPA輸入的恒流和恒壓輸出.盡管LCC型拓?fù)渚哂休^高的參數(shù)設(shè)計(jì)自由度以及在大功率傳輸下實(shí)現(xiàn)高效率傳輸?shù)葍?yōu)良特性［13］，然而，LCC-S型拓?fù)湟肓舜罅康难a(bǔ)償元件，這毫無(wú)疑問(wèn)地增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度及成本.此外，在文獻(xiàn)［14］中，作者提出了1種新型三線圈參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以通過(guò)改變頻率實(shí)現(xiàn)具有ZPA輸入的恒流和恒壓輸出.同樣地，TRAN等人在文獻(xiàn)［15］中系統(tǒng)分析了四線圈WPT系統(tǒng)，并通過(guò)設(shè)計(jì)合理的參數(shù)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)ZPA頻率點(diǎn)下的恒流和恒壓輸出.然而，文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］中的WPT系統(tǒng)有著十分嚴(yán)格的互感關(guān)系，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和不穩(wěn)定性.鑒于此，本文提出了1種基于S/LCL補(bǔ)償?shù)腤PT系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可以在2個(gè)ZPA工作頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流輸出和恒壓輸出.此外，該系統(tǒng)具有較少的補(bǔ)償元件，且無(wú)需復(fù)雜的控制電路，具有易于控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)點(diǎn).

第1節(jié)對(duì)S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的電路模型進(jìn)行了全面的分析.第2節(jié)給出了系統(tǒng)參數(shù)的整定方法.并利用電磁場(chǎng)分析軟件Maxwell建立松耦合變壓器（loosely couple transformer，LCT）的結(jié)構(gòu)模型.然后，在MATLAB中建立等效模型對(duì)WPT系統(tǒng)進(jìn)行初步驗(yàn)證.在第3節(jié)中進(jìn)行系統(tǒng)恒流輸出和恒壓輸出切換的設(shè)計(jì).第4節(jié)通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性及可行性.第5節(jié)進(jìn)行了總結(jié).

1? S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的電路模型及原理分析

1.1? S/LCL拓?fù)潆娐纺Ｐ?/p>

圖1所示為S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的整體電路架構(gòu)圖.L1，Lp和Ls分別是補(bǔ)償電感、發(fā)射線圈和接收線圈.R1，Rp，Rs為對(duì)應(yīng)的寄生電阻.由于R1，Rp，Rs的值較小，為了簡(jiǎn)化，在分析時(shí)將其忽略.M表示發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感.系統(tǒng)的發(fā)射側(cè)包括1個(gè)恒定的直流電源Ud、由4個(gè)MOSFET（Q1～Q4）組成的高頻逆變器（high-frequency inverter，HFI）、補(bǔ)償電容C1和發(fā)射線圈Lp；接收側(cè)包括接收線圈Ls、并聯(lián)補(bǔ)償電容C2、補(bǔ)償電感L1、全橋整流器和濾波電容CF.全橋整流器輸出直流電為電池負(fù)載RL供電.圖2所示為拓?fù)浜?jiǎn)化電路圖，其中高頻逆變器驅(qū)動(dòng)的方波電壓Uin的方均根Uin=22Ud/π；等效交流負(fù)載電阻Rac的值可表示為：Rac=8RL/π2.

根據(jù)圖2，系統(tǒng)的回路方程滿足Uin00=Zp-jωM0-jωMZ2+Zs-Z20-Z2Z1+Z2+RacIpIsIo，

其中，等效阻抗Z1=jωL1，Z2=1jωC2，Zp=jωLp+1jωC1，Zs=jωLs.

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出3個(gè)回路的電流向量Ip=（Z2Zs+Rac+Zs+RacZ2+Z1Zs+Z1Z2）UinA+BRac，

Is=jωM（Rac+Z1+Z2）UinA+BRac，

Io=jωMZ2UinA+BRac，（1）

其中，A=Z1ZpZs+Z2ZpZs+Z1Z2Zp+ω2M2Z1+ω2M2Z2，B=Z2Zp+ZpZs+ω2M2.

1.2? S/LCL系統(tǒng)恒流特性以及ZPA操作原理分析

基于以上分析，當(dāng)輸出電流Io獨(dú)立于Rac時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)恒流輸出.根據(jù)式（1），令B=0，則輸出電流Io獨(dú)立于負(fù)載Rac，即：Z2Zp+ZpZs+ω2ccM2=0.

此時(shí)，系統(tǒng)輸入阻抗Zin=UinIp=ω2ccM2Z2+Z2ZpZsZ2Zs+Z1Zs+Z1Z2+ZsRac+Z2Rac.當(dāng)Z2Zs+Z1Zs+Z1Z2=0成立時(shí)，Zin為純阻性，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)ZPA輸入，確保高效性.此時(shí)，同時(shí)滿足恒流輸出特性及ZPA運(yùn)行的條件為

Z2Zp+ZpZs+ω2ccM2=0，Z2Zs+Z1Zs+Z1Z2=0.（2）

根據(jù)上式，系統(tǒng)的等效輸入阻抗Zin及跨導(dǎo)增益G（輸出電流與輸入電壓的比）可以被簡(jiǎn)化為

Zin=ω2ccM2Z2+Z2ZpZs（Zs+Z2）Rac，G=IoUin=|jZ2ωccM（Z1+Z2）|.

Zin只與等效負(fù)載Rac有關(guān)，因此系統(tǒng)輸入阻抗是純阻性的，可以在不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)ZPA輸入.此外，跨導(dǎo)增益G與等效負(fù)載Rac無(wú)關(guān)，因此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載無(wú)關(guān)的恒流輸出.

1.3? S/LCL系統(tǒng)恒壓特性以及ZPA操作原理分析

與上節(jié)分析相似，由式（1）可得Uo=IoRac=jωcvMZ2UinRacA+BRac=jωcvMZ2Uin（A/Rac）+B.當(dāng)滿足A=0時(shí)，輸出電壓Uo獨(dú)立于等效負(fù)載Rac，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，即Z1ZpZs+Z2ZpZs+Z1Z2Zp+ω2cvM2Z1+ω2cvM2Z2=0.

此時(shí)，系統(tǒng)輸入阻抗Zin=UinIp=（Z2Zp+ZpZs+ω2cvM2）RacZ2Zs+RacZs+RacZ2+Z1Zs+Z1Z2.為了實(shí)現(xiàn)ZPA操作，需要讓Zin為純阻性，不含虛部，即Z2+Zs=0.此時(shí)，同時(shí)滿足恒壓輸出特性和ZPA輸入的條件Z1ZpZs+Z2ZpZs+Z1Z2Zp+ω2cvM2Z1+ω2cvM2Z2=0，Z2+Zs=0.（3）

系統(tǒng)的等效輸入阻抗Zin及電壓增益E（輸出電壓與輸入電壓的比）可以簡(jiǎn)化為Zin=ω2cvM2Rac/（Z2Zs），E=Us/Uin=|jZ2/（ωcvM）|.

Zin只與等效負(fù)載Rac有關(guān)，因此系統(tǒng)輸入阻抗是純阻性的，可以在不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)ZPA運(yùn)行.此外，電壓增益E與等效負(fù)載Rac無(wú)關(guān)，因此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載無(wú)關(guān)的恒壓輸出.

1.4? 補(bǔ)償電容值的確定

基于以上分析，當(dāng)補(bǔ)償電容值滿足式（2）時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出和ZPA運(yùn)行，當(dāng)補(bǔ)償電容值滿足式（3）時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒壓輸出和ZPA運(yùn)行.因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)具有ZPA輸入的恒流和恒壓輸出，補(bǔ)償電容C1和C2必須同時(shí)滿足式（2）和式（3）.因此，結(jié)合式（2）和式（3）可以得到補(bǔ)償電容C1=（ω2cc-ω2cv）3L1/（2ω2ccω6cvM2），C2=（（ω2cc-ω2cv）L1）-1.（4）

2? S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

第1節(jié)的理論分析表明，S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)可以分別在2個(gè)固定工作頻率下實(shí)現(xiàn)具有ZPA運(yùn)行的恒流和恒壓輸出特性.本節(jié)將進(jìn)行LCT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提供嚴(yán)格的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程.此外，通過(guò)在MATLAB/SIMULINK中搭建等效模型對(duì)上述理論分析進(jìn)行初步驗(yàn)證.

2.1? LCT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LCT一般被設(shè)計(jì)為圓形或方形結(jié)構(gòu).方形線圈與同直徑的圓形線圈相比具有更大的自感及互感.此外，在發(fā)生水平偏移時(shí)，方形線圈之間的互感更穩(wěn)定.然而由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，方形線圈在拐角處的電流通常不均勻［16］.若將方形線圈的拐角設(shè)計(jì)成圓角，即可避免拐角對(duì)電流的影響，減少損耗.因此，本研究的線圈將設(shè)計(jì)為方形圓角結(jié)構(gòu).線圈Lp和Ls的具體參數(shù)如表1所示.

2.2? 參數(shù)設(shè)計(jì)

本節(jié)將根據(jù)上述理論分析進(jìn)行S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì).首先，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合，確定系統(tǒng)在工作頻率ωcc和ωcv下的跨導(dǎo)增益G和電壓增益E.緊接著，確定線圈Lp和Ls的尺寸及匝數(shù)并使用電磁場(chǎng)分析軟件Maxwell計(jì)算Lp、Ls的自感值和它們之間的互感值M.然后將仿真得到的參數(shù)值代入式（4），計(jì)算補(bǔ)償電容C1和C2的值.根據(jù)補(bǔ)償電容的計(jì)算值判斷式（2）和式（3）是否成立，若式（2）和式（3）成立，則說(shuō)明參數(shù)合理.否則，需要重新執(zhí)行上述程序，直到式（2）和式（3）成立.最后，系統(tǒng)參數(shù)的理論值總結(jié)在表2中.

2.3? 初步驗(yàn)證

為了初步驗(yàn)證上述理論分析，本節(jié)在MATLAB/SIMULINK中建立了S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)在恒流和恒壓模式下的等效模型.基于表2中的數(shù)據(jù)，結(jié)合所建立的等效模型，可以得到不同負(fù)載下系統(tǒng)輸入阻抗以及跨導(dǎo)增益、電壓增益隨頻率變化的關(guān)系曲線.總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)等效模型的仿真分析，圖3驗(yàn)證了在頻率分別為90 kHz和68 kHz處，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)具有ZPA運(yùn)行的恒流和恒壓輸出特性.

3? WPT系統(tǒng)恒流和恒壓模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜上所述，擬議的S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)無(wú)需多余的交流開關(guān)（ACS）及閉環(huán)控制器，通過(guò)合適的參數(shù)設(shè)計(jì)可以在2個(gè)不同的ZPA工作頻率（fcc，fcv）下實(shí)現(xiàn)恒流恒壓輸出.圖4所示是系統(tǒng)從恒流模式到恒壓模式的切換策略.根據(jù)圖4，在WPT系統(tǒng)開始工作后，通過(guò)電壓電流傳感器同步采集電池的電壓Uref和電流Iref，并將數(shù)值發(fā)送至控制器.當(dāng)Uref＜80 V時(shí)，控制器選擇以頻率fcc進(jìn)行恒流充電，隨著電壓的不斷升高，當(dāng)Uref80 V時(shí)，控制器選擇以頻率fcv進(jìn)行恒壓充電.當(dāng)檢測(cè)到充電電流Iref＜0.3 A時(shí)，WPT系統(tǒng)停止工作，充電結(jié)束.

4? 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了1臺(tái)具有3A/80V輸出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī).實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的硬件由直流電壓源、補(bǔ)償電感L1、補(bǔ)償電容C1、補(bǔ)償電容C2、LCT、高頻逆變器HFI、整流器、電阻負(fù)載和示波器組成.表3列出了用于實(shí)驗(yàn)的各硬件的測(cè)量值，與表2中的理論值略有出入.

圖5（a，b）所示是在工作頻率為90 kHz時(shí)，系統(tǒng)的輸入電壓Uin、輸入電流Ip及輸出電流Iout在負(fù)載分別為5 Ω和10 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖.由圖5（a，b）可以看出，在頻率為90 kHz時(shí)，系統(tǒng)的輸入電壓和輸入電流在不同負(fù)載下始終保持同相位，這直觀地證明了系統(tǒng)ZPA運(yùn)行的實(shí)現(xiàn).此外，系統(tǒng)的輸出電流始終為3 A，不受負(fù)載變化的影響，這意味著所設(shè)計(jì)系統(tǒng)恒流輸出的實(shí)現(xiàn).圖5（c，d）所示是在工作頻率為68 kHz時(shí)，系統(tǒng)的輸入電壓Uin、輸入電流Ip及輸出電壓Uout在負(fù)載分別為30 Ω和60 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖.與上述分析一致，根據(jù)圖5（c，d），系統(tǒng)的輸入電壓和輸入電流在負(fù)載為30 Ω和60 Ω時(shí)始終保持同相位，此外，系統(tǒng)的輸出電壓始終為80 V.這意味著在工作頻率為68 kHz時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具有ZPA運(yùn)行的恒壓輸出.總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，直觀地驗(yàn)證了擬議S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)在2個(gè)固定的工作頻率處，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足電池充電需求的恒流和恒壓輸出，并在整個(gè)充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)ZPA運(yùn)行.

在充電過(guò)程中，圖6描述了不同負(fù)載電阻的變化所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率曲線.在恒流模式下，系統(tǒng)能量傳遞效率峰值為93.4%；恒壓模式下，能量傳遞效率峰值為94.3%.在整個(gè)充電過(guò)程中，系統(tǒng)的能量傳輸效率始終保持在較高的水平，確保了所提出的S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)的高效性.值得注意的是，系統(tǒng)在恒流和恒壓工作模式下的工作頻率分別為90 kHz和68 kHz，恒壓頻率低于恒流頻率，使得恒壓模式時(shí)的逆變器損耗低于恒流模式時(shí)的逆變器損耗，因此恒壓工作模式下的效率將會(huì)略高于恒流工作模式下的效率.

5? 結(jié)? 論

本文提出了1種基于S/LCL補(bǔ)償?shù)腤PT系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒流和恒壓輸出.該系統(tǒng)能夠在2個(gè)固定的工作頻率下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于負(fù)載的恒流輸出和恒壓輸出.同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的ZPA運(yùn)行，從而避免無(wú)功功率的注入，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行.此外，系統(tǒng)無(wú)需多余的交流開關(guān)及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，整體所需補(bǔ)償元件數(shù)量少，確保了WPT系統(tǒng)的緊湊輕便，并降低了系統(tǒng)的制造成本.本文給出了S/LCL補(bǔ)償WPT系統(tǒng)詳細(xì)的電路分析及參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)搭建1臺(tái)具有3 A輸出電流和80 V輸出電壓的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性及實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致.

參? 考? 文? 獻(xiàn)

［1］ ??張劍韜，朱春波，陳清泉.應(yīng)用于無(wú)尾家電的非接觸式無(wú)線能量傳輸技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（9）：33-37.

ZHANG J T，ZHU C B，CHEN Q Q.Contactless wireless energy transfer technology applied to tail-free household appliances［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（9）：33-37.

［2］LI Y，HU J F，LI X F，et al.Analysis，design，and experimental verification of a mixed high-order compensations-based WPT system with constant current outputs for driving multistring LEDs［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2020，67（1）：203-213.

［3］陳浩，丘東元，張波，等.植入式醫(yī)療設(shè)備無(wú)線供電技術(shù)綜述［J/OL］.電源學(xué)報(bào)：1-15［2022-12-20］.http：//www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DYXB20220615001.htm.

［4］LI Z Q，LI J，LI S Y，et al.Design and optimization of asymmetric and reverse series coil structure for obtaining quasi-constant mutual inductance in dynamic wireless charging system for electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2022，71（3）：2560-2572.

［5］蘇玉剛，錢林俊，劉哲，等.水下具有旋轉(zhuǎn)耦合機(jī)構(gòu)的電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)及參數(shù)優(yōu)化方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2022，37（10）：2399-2410.

SU Y G，QIAN L J，LIU Z，et al.Underwater electric-filed coupled wireless power transfer system with rotary coupler and parameter optimization method［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2022，37（10）：2399-2410.

［6］任碧瑩，孫佳，孫向東，等.提高串聯(lián)鋰電池SOC在線估計(jì)快速性的簡(jiǎn)化二階模型［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2022，50（22）：110-118.

REN B Y，SUN J，SUN X D，et al.A simplified second-order model for improving the speed of on-line state of charge estimation of series lithium-ion batteries［J］.Power System Protection and Control，2022，50（22）：110-118.

［7］QU X H，HAN H D，WONG S C，et al.Hybrid IPT topologies with constant current or constant voltage output for battery charging applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（11）：6329-6337.

［8］ZHANG W，WONG S C，TSE C K，et al.Load-independent duality of current and voltage outputs of a series-or parallel-compensated inductive power transfer converter with optimized efficiency［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2015，3（1）：137-146.

［9］ZHANG W，MI C C.Compensation topologies of high-power wireless power transfer systems［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（6）：4768-4778.

［10］CHEN Y，LI M X，YANG B，et al.Variable-parameter T-circuit-based IPT system charging battery with constant current or constant voltage output［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35（2）：1672-1684.

［11］AUVIGNE C，GERMANO P，LADAS D，et al.A dual-topology ICPT applied to an electric vehicle battery charger［C］//2012 XXth International Conference on Electrical Machines.September 2-5，2012.Marseille：IEEE，2012：2287-2292.

［12］鄒靜，徐耘英，彭娟娟，等.基于頻率切換實(shí)現(xiàn)電池恒流和恒壓充電的LCC-S補(bǔ)償WPT系統(tǒng)研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2023，21（3）：117-124.

ZOU J，XU Y Y，PENG J J，et al.Research on LCC-S compensated WPT system based on frequency switching to realize CC and CV charging for battery［J］.Journal of Power Supply，2023，21（3）：117-124.

［13］蔣昭，趙晉斌，張俊偉，等.基于DS-LCC拓?fù)淇蛊菩缘慕Ｅc優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2022，50（15）：99-108.

JIANG Z，ZHAO J B，ZHANG J W，et al.Modeling and optimization of anti-offset based on DS-LCC topology［J］.Power System Protection and Control，2022，50（15）：99-108.

［14］YANG L，LI X M，LIU S，et al.Analysis and design of three-coil structure WPT system with constant output current and voltage for battery charging applications［J］.IEEE Access，2019，7：87334-87344.

［15］TRAN D H，VU V B，CHOI W.Design of a high-efficiency wireless power transfer system with intermediate coils for the on-board chargers of electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2018，33（1）：175-187.

［16］CAI C S，WANG J H，F(xiàn)ANG Z J，et al.Design and optimization of load-independent magnetic resonant wireless charging system for electric vehicles［J］.IEEE Access，2018，6：17264-17274.

Research on S/LCL compensated constant current and constant voltage WPT system based on frequency switching

Yang Lin1， Shao Shuai1， Yu Wenyan1， Zhou Xuebin2

（1. College of Electronics and Electrical Engineering， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China;

2. College of Intelligent Manufacturing， Hunan University of Science and Technology， Yongzhou 425199， China）

Abstract： Since the traditional plug-in system has a complicated structure and is prone to dangers such as electric sparks due to frequent plugging and unplugging， wireless power transfer（WPT） system has been extensively studied， and due to its inherent advantages has gradually been integrated into various industrial applications. In order to ensure battery performance and lifespan， it is essential to provide the required constant charging current and constant charging voltage effectively. However， during the charging process， the equivalent resistance of the battery undergoes significant changes， making it difficult for the system to simultaneously achieve load-independent constant current output and constant voltage output under approximately zero phase angle（ZPA） operation. In view of this， this paper proposes a S/LCL compensation-based WPT system that can achieve constant current and constant voltage output with ZPA operation at two fixed frequencies. Finally， a verification experimental prototype with a constant current charging of 3 A and a constant voltage charging of 80 V was built to verify the correctness and feasibility of the designed WPT system.

Keywords： WPT; S/LCL; ZPA; constant current output; constant voltage output

［責(zé)任編校? 楊浦? 劉洋］