摘要：对于传统的电感功率传输(IPT)，通常采用两级结构进行恒流(CC)和恒压(CV)充电，但级联dc-dc变换器会降低其效率。本文提出了一种具有部分功率处理(PPP)的混合拓扑IPT系统，以降低直流-直流功率损耗。功率传输通道分为主通道和辅助通道，两个通道采用不同的补偿拓扑结构。大部分功率通过主通道传递给负载，而辅助通道中的dc-dc调节一小部分功率以维持输出。因此，dc-dc的功率损耗和器件应力可以显著降低。此外，只需控制dc-dc，无需主次侧无线通信，即可实现CC和CV充电。最后，建立了一个实验室原型来验证所提出系统的可行性。结果表明，当输出为72 V-6 A时，系统效率可达92.1%，比两级结构提高2.1%。

0 引言

I电感式功率传输(IPT)系统，通过串联补偿，可以在没有任何物理接触的情况下，有效地将能量从电源传递到电气设备。与传统的电缆供电系统相比，IPT系统克服了接触火花等安全隐患，具有使用方便等优点。因此，该技术已广泛应用于消费电子产品、生物医学植入式装置、水下电源、电动汽车(ev)、自动导引车(agv)等领域。在使用IPT技术对电池充电时，通常采用恒流(CC)和恒压(CV)两段充电方式来延长电池寿命。在初始充电阶段，采用CC模式充电，电池电压逐渐升高，直至达到额定电压。然后采用CV模式充电，充电电流逐渐减小，直至低于设定值，充电结束。在充电过程中，电池的等效负载变化很大。因此，系统需要提供恒定且与负载无关的输出电流/电压。同时，另一个要求是高效率，这是IPT系统中最重要的参数之一。

为了扩大IPT系统的工作范围，研究了多种控制方法和补偿拓扑。对于一次侧控制，提出了移相控制、变频控制、混合频率起搏器、开关控制电容器、可变电感控制等控制方案来调节输出电压。但是，主端信息需要通过蓝牙、2.4G Radio Frequency等无线通信设备传输到次端，这样会降低系统响应速度，容易受到噪声的干扰。虽然在初级端引入了负荷参数估计方法来解决上述问题，但IPT系统仍然存在一些缺点，如对电路参数变化的敏感性高。为了消除一次侧和二次侧之间的无线通信链路，将二次侧的全桥电路改为有源整流器。然而，需要额外的相位检测电路，并且高频电流的检测是复杂的。同时，控制系统复杂，系统设计难度较大。另一种方法是在二次侧采用dc-dc变换器来调节系统输出。这种两级功率处理结构的缺点是所有输入功率都必须经过IPT系统和dc-dc转换器，这大大降低了无线功率传输(WPT)系统的整体效率。旨在简化系统，降低功耗。还可以通过引入开关来改变补偿拓扑来切换二次侧输出模式。但由于无源元件和开关数量较多，系统成本较高，而且这种方法的控制精度通常很低。

电池充电要保证高效率，既节约能源又减轻系统散热压力。最优阻抗匹配是一种有效的方法。当互感波动时，通过调整二次侧dc-dc占空比可以降低功率损耗，但这种方法只考虑了IPT级的功率损耗，没有考虑dc-dc级的功率损耗。

最近，部分功率处理(PPP)的概念为减少功率损耗提供了另一种可行的思路，只处理一小部分功率来调节输出，主功率直接传递给负载，不需要dc-dc。然而，以往的研究表明，与传统的两阶段结构相比，PPP结构的产出调整幅度相应缩小。因此，对于负载变化较大的无线电池充电，有必要对PPP结构进行改进，本文通过拓扑设计对PPP结构进行了改进。

在本工作中，将所提出的IPT系统的功率传输通道分为主通道和辅助通道。主通道采用电压型补偿，辅助通道采用电流型补偿。采用输入串联输出并联(ISOP)连接，输出并联可降低导通损耗。只有通过调节辅助通道上的级联dc-dc变换器才能实现CC和CV模式。

本文的贡献如下。

1)针对CC和CV两段充电，提出了一种基于PPP混合拓扑的isop型IPT系统。推导了该系统的输出表达式，并分析了电路特性。

2)只有少量的功率通过dc-dc变换器转换到输出。从而实现了比两级结构更高的效率，并且dc-dc的器件应力低于两级结构。

3)只通过dc-dc的占空比控制即可实现CC-CV充电，无需主次侧无线通信。

本文的其余部分组织如下。本文将在第二节讨论提出的PPP混合拓扑IPT系统的分析。第三部分总结了系统的设计和比较。第四节通过36v - 6a和72v - 6a额定输出的样机验证了理论分析。最后，第五部分对本文进行总结。

1 IPT系统设计与分析

1.1 电路描述与建模

线圈LP1的电感被重新用作主通道的补偿元件。因此，主通道采用lc - s补偿拓扑，辅助通道采用S-S补偿拓扑。Vin为直流输入电压，Vo为负载电阻RL上的直流输出电压。采用高频逆变器(Q1-Q4)对发射线圈LP1和LP2进行交流励磁，产生交变磁场。Cp为LCL网络的补偿电容。在二次侧，辅助接收器和主接收器分别由全桥整流器(D1-D4)和(D5-D8)进行整流。辅助接收机的输出由dc-dc变换器调节，然后与主接收机并联。LS1和LS2是两个接收线圈。同样，CS1和CS2是两个接收线圈的补偿电容。M1为LP1与LS1之间的互感，M2为LP2与LS2之间的互感，MP为LP1与LP2之间的互感，MS为LS1与LS2之间的互感，MPS1为LP1与LS2之间的互感，MPS2为LP2与LS1之间的互感。辅助接收机直流输出电压和电流分别为Vm和Im，主接收机直流输出电压和电流分别为Vo和Io2。Io1为dc-dc变换器的输出电流。

为避免主辅通道交叉耦合，采用DDQ线圈结构。由于两个d线圈背靠背放置，所以dd线圈经过q线圈产生的磁通量为零。因此，初级和次级侧的所有dd线圈都与q线圈解耦。LP1(dd线圈)和LS1(dd线圈)之间，LP2(q线圈)和LS2(q线圈)之间只有互感。

以分析所提出的系统。Uin为交流输入电压，工作角频率为ω， Um和Uo为两个接收机的交流输出电压。IP1、IP2和IS1、IS2是发送线圈和接收线圈的交流电流。