1简介

电感功率传输（IPT）技术使用电感耦合，通过磁场将能量从电源无线传输到负载。非接触特性提高了电力传输的便利性、可靠性和安全性，使IPT技术适用于便携式设备、电动摩托车和电动汽车等情况下的电力传输解决方案。无线充电的研究通常采用恒流（CC）和恒压（CV）充电模式。

通常，CC充电通过允许用CC对电池充电直到充电电压达到电池的预定义阈值，在充电曲线中起主导作用。当电池电压较低时，CC充电阶段会导致低输出功率，其中充电功率从最小值开始，并在CC充电阶段结束时达到最大值，持续时间较短，最终导致充电速率较慢。在此基础上，尽管在CC充电阶段施加更高的充电电流可以导致更快的充电速率，但它需要过度的热设计，并导致更快的电池退化速率。因此，为了利用充电系统的最大功率传输能力，从而提高充电速率，以获得一致的输出功率，称为恒功率（CP）充电。随着电池电压的增加，可以通过降低输出电流来实现恒定的输出功率。由于充电器的功率传输能力的限制可能是由于组件额定值和冷却系统等因素造成的，因此通过用CP充电代替CC充电，充电器可以在相同的设计下实现更快的充电速率，或者缩小整体尺寸和材料成本，从而避免了过度的热设计，CP充电的优点总结如下：

1） 它利用无线IPT转换器的最大功率传输容量，从而实现更高的充电率。

2） 不需要过度的热设计。

3） 它避免了在更高的充电速率下电池更快地退化。

通过直接调制输出电压和电流，使用直流-直流转换器实现有线CP充电是一个直观的想法。然而，由于无线IPT充电系统的输出特性更加复杂，设计一种基于无线IPT的CP充电器总是具有挑战性的。通常，为了实现负载独立的传输特性，设计应强制要求IPT转换器必须在补偿网络的某个固定频率下运行。令人遗憾的是，即使有CC或CV输出，IPT转换器的输出功率仍会随着负载变化而变化，这意味着不可能获得CP充电曲线。然而，无线CP充电实现的一些直接解决方案只是在IPT转换器的输入端和/或输出端添加额外的DC-DC功率转换器，用于调节输出电流和电压，从而直接调制输出功率。由于额外的功率级，这显著降低了系统效率并增加了系统复杂性和成本。为了降低功率级，将等效负载调节到最佳值，并实现恒定的输出功率。通过脉宽调制（PWM）控制SAR以获得所有MOSFET开关的零电压开关（ZVS）条件，有必要添加额外的开关控制电容器（SCC）以最小化由PWM控制的SAR在接收器侧引入的无功功率。通过在发射机和接收机侧应用两个SCC，在接收机侧具有LCC–LCC补偿拓扑和全桥整流器的基于IPT的转换器可以输出具有效率优化的CP。然而，额外的辅助SCC增加了成本、交换机ON损耗和控制复杂性。为了消除对额外dc-dc转换器或SCC的需求。然而，分析表明，输出功率与S–S IPT转换器的互感相关，这表明应考虑系统设计初始阶段的线圈参数，如果额定输出功率需要更改，则需要重新设计线圈。从设计成本和灵活性的角度来看，有必要设计独立于线圈设计但不受线圈物理尺寸约束的输出功率，即LCC-S拓扑。此外，对于S-S IPT转换器，当耦合器的耦合系数降低到较低时，通过初级侧电路的电流会在短路条件下冲向极高的电流，因此在这种系统中，对于实际应用来说，额外的保护电路是必要的。为了解决上述CP输出IPT系统的缺点，本文提出了一种基于IPT的单级CP充电器，该充电器应用LCC-S补偿拓扑，通常用于实现CC/CV充电。针对基于SAR调节的脉冲密度调制（PDM），设计并实现了一种新的控制策略，其中SAR直接调节输出以符合CP充电曲线，并在整个充电过程中将等效负载调制到最佳值。这允许在不使用任何额外的辅助电路和无线反馈通信的情况下，在IPT系统中实现CP输出和最佳传输效率，下面总结了所提出的基于IPT的CP充电器的优势和贡献：

1） 它不需要额外的直流-直流转换器或辅助SCC，这节省了硬件成本（见第一节）。2） 它在整个充电过程中实现了恒定的工作频率，简化了硬件设计，缓解了电磁干扰问题

3） 最优等效负载匹配条件保证了系统在宽负载范围内的效率优化

4） 采用LCC-S补偿拓扑提供了更高的设计自由度，其中输出功率独立于线圈设计。此外，在严重错位情况下，它可以避免变送器侧出现超大电流问题

5） 它不需要反馈无线通信，这降低了充电过程中不稳定的风险

6） 它实现了IPT转换器的逆变器和SAR的全软切换

7） 它实现了CP输出的高失调容限，同时保持了高系统效率

2基于IPT的CP充电器分析

A.系统结构

该充电器由全桥电压源逆变器（VSI）、具有LCC-S补偿拓扑的松耦合变压器（LCT）和SAR组成。功率从直流电压源Vin输送，并由发射机侧的四个MOSFET开关S1~S4组成的全桥VSI转换为高频交流形式。全桥VSI以固定频率工作。然后，功率通过LCT传输到接收器侧。该系统中的LCT由对称线圈组成（即匝数比=1:1，n=1），具有初级自感LP、次级自感LS和互感M。耦合条件可以用耦合系数k=M/√LPLS来表示。该LCT的线圈损耗可以表示为两个分量：初级线圈电阻RP和次级线圈电阻RS。本文中，由LCT引起的无功功率由IPT转换器的LCC-S补偿拓扑进行补偿。LCC-S拓扑结构在发射机侧有一个电感LP1和两个电容CP1和CP2，在接收机侧有一电容CS。在交流形式的功率通过LCT传输之后，可以在接收器侧的SAR和输出滤波电容器Cf的帮助下产生直流输出，以向充当电池的负载电阻器RL馈电。SAR由两个二极管D1和D2以及两个MOSFET开关S5和S6和两个反平行体二极管D3和D4组成。在这种无线电源中，在传输过程中，vp和ip分别表示IPT转换器的输入交流电压和电流，而输出交流电压和电压分别表示为vs。Vo和Io分别是电池的直流充电电压和电流。对于IPT转换器，谐振电路是一个高Q电路，其电气特性由实际波形的傅立叶级数表示的基本分量主导。由于SAR的谐振电路输出电压和电流（vSandiS）同相，因此可以将负载建模为纯电阻器。此外，充电过程比IPT转换器的谐振周期慢得多，因此理论上可以将电池建模为电阻器RL，其由RL=Vo/Io确定。

为了设计系统参数，LCC-S-IPT转换器的等效电路模型进行了分析。通过假设中的谐振电路在谐振频率ωR下工作，这种采用基波近似的等效电路模型足够精确，可以简化分析过程。在下文中，电容器CP1分为两个并联电容器，CP1和CP1“。

LCC-S补偿元件的寄生电阻和线圈损耗被忽略。此外，该LCC-S-IPT转换器使用了对称线圈，这使得从接收器侧反射的分量值在模型中相同。LCT被建模为电路中的三个分量，发射器侧的漏电感Llp、接收器侧的漏感Lls和互感LM。

这种LCC-S补偿的高阶IPT转换器可以建模为几个谐振电路的组合，并且可以逐级推导负载无关的传输特性。

此外，与S–S补偿拓扑不同，在（12）中注意到，输出电流is与该LCC-S补偿拓扑的互感Min无关，并且可以通过调整LP1的值来控制is值。这表明，在保持线圈设计不变的情况下，通过改变LP1和CP1，系统可以轻松配置不同的输出，适用于基于相同的LCT/线圈和平台开发不同输出规格的产品等场景。

C. SAR在等效交流负载调节中的运行

接收器侧的SAR通过使用脉冲强度调制（PDM）进行控制，该调制分为无源状态，即S5和S6开关关闭，S5和S6在SAR中被控制为同时开启或关闭若干次，以在一个PDM周期TPDM中调制vS的占空比。与传统PWM相比，由于iS和vS的过零点一致，该方法总是可以在没有额外控制电路的情况下实现软开关条件。具体地，TPi是MOSFET w o r k处于无源状态的时间间隔，TAi是MOSFETs w o r k处于有源状态的时间隔间，其中i是PDM周期中在范围内的序列的索引。然而，总被动状态时间与一个PDM周期的时间之间的比率，即控制因子α，由下式给出：

3. 具有最佳传输效率的CP充电控制策略

A.最佳传输效率的条件

对于传输效率分析，LCC-S-IPT转换器的M等效电路模型，简化了分析，其中线圈损耗被考虑用于该分析。通过将基尔霍夫电压定律应用于M的模型。总的传输效率可以被认为是每个阶段的传输效率的乘积。从接收器端开始，其传输效率为：

为了计算发射机侧的传输效率，首先，可以用等效阻抗Z_Rcv代替依赖源-，等效阻抗Z_Rcv是从接收机侧反射到发射机侧的等效阻抗.

4. 实验验证

为了验证所提出的无线CP充电器的有效性和可行性，建立了一个实验样机，应用电子负载（IT8902E-600-140）来模拟具有不同充电状态的电池。使用YOKOGAW a PX8000精密功率计测量了实验电压和电流波形以及直流输入和直流输出功率。此外，所提出的无线CP充电器可以在72至109V的宽电压输出范围内工作，这可以满足不同实际应用的电池电压规格，例如电动摩托车。

在充电过程中，当输出功率几乎保持恒定时，测量的直流输出电流Io随着直流输出电压Vo的升高而减小。此外，趋势和实验结果与仿真结果一致，验证了所提出的无线CP充电器的有效性。

在未对准期间，这将导致泄漏电感的增加。为了放松和最小化这种对耦合系数k变化的影响，应用了精心设计的LCT。此外，只要保证输入电源的容量，所提出的控制方法就可以处理这种未对准情况，并提供CP输出。这是因为实际控制方法基于实际输出功率和额定输出功率之间的偏差。

由于耦合系数k的减小，相应的效率明显下降了很多。为了避免低传输效率问题并提供始终保持高传输效率的IPT充电器，应该限制所提出的无线CP充电器的最大可容忍偏差范围。在此基础上，确定了最大可容忍的未对准情况，以便所提出的系统能够以高传输效率工作，其中与对准情况相比，对角线位移应在16%的差异（未对准距离与线圈尺寸的比率）内。为了验证这一点，在未对准条件（k=0.265）和对准条件（k=0.302）下进行了测试。此外，其控制因子的相应变化在未对准情况下，输出功率Po可以保持与对准情况几乎相同，即约230W，而充电系统仍然达到其最佳传输效率，这验证了即使在未对准条件下，所提出的无线CP充电器的有效性和可行性。与对准情况相比，传输效率η的轻微下降可能主要是由于未对准条件下k的减少以及获得最佳等效交流负载Req所需的较小控制因子α，选择作为对准情况，但直流-直流传输效率仍保持在88.6%的高水平，其验证了所提出的无线CP充电器的未对准容限范围。

5.结论

在本文中，我们提出了一种基于LCC-S的单级IPT转换器，该转换器在整个无线充电过程中获得了CP充电和最佳传输效率。关键的创新是基于PDM的无通信SAR调节，只调整接收器侧的单个控制因子，以实现CP输出和效率优化。与现有技术相比，IPT转换器采用LCC-S补偿还为线圈提供了设计自由度，使负载无关的输出特性与互感无关，从而大大增强了错位容限能力。所提出的无线CP充电器没有额外的直流-直流转换器或辅助SCC电路。没有无线反馈通信电路也允许成本降低和控制简化。最后，实现了全桥逆变器和SAR的ZVS。未来，所提出的无线CP充电器将集成到电动摩托车中，以进一步验证其实用性。