0 引言

感应功率传输(IPT)是一项正在发展的技术，用于在物理连接不方便或不可能的应用中无线供电，例如受污垢和潮湿影响的恶劣环境。通常，IPT转换器能够简化充电操作并消除与电气连接相关的安全问题，适用于各种场景中的无线电池充电，例如移动电子产品，生物医学植入物，小型家电和电动汽车。

电力电子转换器的热设计是强制性的。一般来说，电力电子转换器的最大可提取功率受到实际的热和物理限制。恒流充电是一种常用的充电技术，也是目前广泛应用的锂离子电池的主流充电工艺。如充电电流保持恒定，充电电压箝位在电池端压上，充电时充电电压升高。可以看到，充电功率从最小值开始，在CC充电完成时增加到最大值。如果实现CC充电，IPT转换器仅在接近充电完成的非常短的持续时间内以最大值提供功率。或者，为了最大限度地发挥电源能力，充电器可以将输出功率控制在预定的最大值，为电池提供恒功率(constant power, CP)充电，从而在整个充电过程中保持全功率的输送。为了保持理想的CP充电，应允许充电电流与电池端电压成反比变化。显然，在最大充电功率相同的情况下，CP充电比CC充电提供更快的充电速度。而且，与CC充电相比，CP充电不存在热设计过度的问题。

对于导电充电器来说，在其电池管理系统中比较容易实现CP充电，它将充电器作为电流源，根据充电功率分布不断变化。然而，据我们所知，具有无线CP充电能力的IPT转换器在文献中很少有研究，这促使我们对无线CP充电器的可行性进行研究。一般来说，IPT转换器应设计成在一定的固定工作频率下工作，具有与负载无关的转移特性，以实现最小的控制复杂性，并在有限的负载范围内工作，以实现最大的效率。然而，在这些固定的工作频率下，只能实现CC或恒压输出，使得IPT变换器的输出功率由负载条件决定，不能符合CP充电曲线。CP输出的一个直观想法是使用两级IPT系统，其中前端转换器可以用来调制IPT转换器的输入幅度，或者负载侧转换器可以级联到IPT转换器进行功率调节。由于额外的功率级，功率损失、控制复杂性和/或无线反馈通信的损失是不可避免的。此外，考虑到单级设计，IPT变换器还应具有负载匹配能力，以实现高效率。否则，在某些不匹配的加载条件下，效率会显著下降。由于电池充电时的负载范围通常较宽，单级IPT变换器在允许固定工作频率、软开关、不额外级联变换器、无无线反馈通信的情况下，很难保持最大效率。因此，在整个充电过程中，IPT转换器要达到CP充电所需的输出并保持最高效率是一项挑战。为了填补无线CP充电的空白，本文提出并探索了一种采用串联的单级IPT变换器，该变换器采用开关控制补偿电容器(SCC)和二次侧半有源整流器(SAR)。结合负载无关转移特性和负载阻抗匹配的优点，提出了一种新的CP和最大效率充电的操作方法。

通过控制SCC和SAR，可以同时保持最佳负载和恒定的二次谐振腔电流，从而可以简单地实现CP和最高效率充电。该控制方案基于固定工作频率和二次侧实时调节，消除了无线反馈通信。此外，该IPT变换器易于实现软开关和低电压应力。

1 电池CP充电策略

在该系统的原理图中，磁耦合器具有初级自感LP，次级自感LS和互感M。耦合系数定义为。初级和次级线圈的损耗分别用电阻RP,w和RS,w表示。磁耦合器的两个线圈由串联连接的电容器进行补偿。CP是固定电容值的初级补偿电容，而定值电容C1和SCC串联用于可变电容的次级补偿。SCC由一个固定值C2和两个MOSFET开关Qa和Qb组成，具有等效的可变电容CSCC。Da和Db分别为Qa和Qb的反平行体二极管。与单个SCC相比，固定值电容器与SCC串联可以帮助减少SCC开关的电压应力，这将在第IV-A节中详细讨论。vSCC是通过SCC的电压，而iSCC是流经SCC的电流。直流电压源VI以角频率调制成交流电压vP，由带有四个MOSFET开关Q1-Q4的全桥逆变器驱动初级线圈。交流输出通过带输出滤波电容Cf的SAR整流到直流输出。SAR由两个二极管D5和D7组成，两个MOSFET开关Q6和Q8位于小腿。D6和D8分别为Q6和Q8的反平行体二极管。二次交流电压vS和交流电流iS是SAR电路的输入。VO和IO分别为电池的直流充电电压和电流。

MOSFET开关Q6和Q8在其反并联二极管的导通时间内导通，以具有零电压开关(ZVS)。Q6和Q8都开启半个周期，它们互为互补。然后，Q6的关断延时为π−θ∈[0，π]到is由负换向正的过零点，Q8的关断延时为π−θ∈[0，π]到is由正换向负的过零点。因此，SAR的传导角θ具有最大π和最小0。θ的变化会影响vS和is之间的相位角。vS,1是vS的基本分量，它滞后于is，相位角为γ = π−θ 2。因此，等效负载是一个阻抗，而不是通常的纯电阻。由于与sipt变换器的工作周期相比，电池的充电是一个缓慢的过程，因此将电池建模为由充电电压和充电电流决定的电阻器，即RL = VO IO。已有研究表明，SAR和阻性负载可以用等效基波阻抗来表示

使用基本近似的系统等效电路模型对于工作在谐振频率附近的谐振电路，这种简化是足够精确的。这里，所提出的系统的等效电路模型与传统的sipt变换器相似，除了二次补偿电容是可变的并且负载不是纯电阻性的。负载由等效阻抗Zeq、电阻Req和电抗Xeq串联表示。变量VP、IP、VS、IS分别是VP、IP、VS、IS基本分量的相量。电阻RP包括初级线圈和逆变器的损耗，而电阻RS包括次级线圈、SCC和SAR的损耗。补偿电容器的等效串联电阻可以忽略。RP和RS的详细计算将在第IV-B节中进行损失分析。

通过控制导通角θ，可将等效负载电阻Req调制为最优值Req,opt。假设通过适当控制SCC阻抗XCSCC可以抵消等效负载阻抗Xeq，则输出功率PO完全由等效负载电阻Req决定，由给出。在式(2)中，PO与控制变量θ呈单调关系。不同电池电阻值RL下PO与θ的单调曲线。可以看出，当PO在(20)处为恒定时，系统以最优效率运行。因此，一个简单的PI控制器可以实现恒定的输出功率并保持最大的效率，以(20)中的常数PO作为控制参考。

由于初级系统的工作频率是固定的，并且只需要次级系统的阻抗控制来实现CP输出和最大效率，因此可以消除初级系统和次级系统之间的无线反馈通信。通过传感器测量充电电压VO和充电电流IO。PO和RL可以分别用乘法器和除法器计算。一个简单的PI控制器对PO与PO、ref之间的差值进行校正，形成SAR的控制信号。同时，利用和RL，根据(18)给出的解析关系或测量关系生成另一个控制信号φ。如果没有不对齐的问题，这两个结果都是很好的控制。但是，如果出现不对中情况，则(18)更普遍适用。iS的过零检测为脉宽调制(PWM)产生同步信号。角和分别用于为SCC和SAR产生PWM驱动信号。

3 结论

本文提出了一种单级IPT转换器，它可以作为无线CP电池充电器，并在整个充电过程中保持最大的效率。一种新颖的工作方法，通过控制SCC的控制角和SAR的导通角，结合负载无关转移特性和负载阻抗匹配的优点。IPT变换器的工作频率是固定的，只需在二次侧进行简单的控制，即可实现CP输出并确保负载匹配以获得最大效率。控制无需无线反馈通信，所有电源开关均实现零电压转换。