模块化多端口无线电能传输系统建模与控制_张仕博.pdf

第卷第期年月电 力 电子技术，模块化多端口无线电能传输系统建模与控制张仕博刘明，朱森，鞠晨（电 力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海；上海电器科学研宄 院，上海）摘要：近年来，无线电能传 输（）技 术 凭借其高便利性、高可靠性、高传 输效 率 等 优点快速发展。现有 针对的研宄集中在 单输入单输出（）方面，无法满足多输入多输出（）系统的应用需求。针对这一现状，此处提出 了一种新颖的模块化多端口（）系统。该系统能够通过相 位控制实现端口在 零电压开关（）状 态下的能量交互，由多个相同的模块化端口通过磁耦合组成，具有 高 度可 重构性与灵活 性。首先对系统进行 建模，基于建模 推导系统的功率 传输特性。随后 详细介绍 系 统 功率 控制方法、实现原理与工况分 析。最 终，通过搭建一个三端口、工作频 率为的实验平台验证了系统的可行性与理论 分析的正确性。关键词：无线电能 传输；零电压开 关；相 位控制；多端口中图分 类号：文献标识码：文章编 号：（），（，（），）：，（），？（），（），（）？（）？，？，？：；：（）；“（）引言多端口技 术能够满足多种供电源与多种负载之间的能量交互，故 受到越来越多的研宄人员青 睐，开始在新能源电力 系统、数 据中心、电池管理系统、消 费电子等 领域崭露 头角。基金项目：台达电力 电子科教发展基金与上海市自然科学基金（）；上海市“科技创新行动计划”启明星项目（）定稿日期：作 者 简介：张仕博（），男，硕 士研究 生，研究方向 为磁耦合无线电能传输。目前国内外 学术界对于多端口技 术的研宄主要 从拓扑结构创新、控制性能优化、应用场景 拓展等方面开展。文 献深入讨论了兆赫兹频率下，采用类 功放的多 负载系统的工作特性，同时提出 了一种控制方 案，将分时复用与最大功 率点追踪相 结合，用 于管理系统的功率流，提 高系统整体工作效率。文献提出了一种基于补偿的双发射双接收四通路系统，实现了系统的抗偏移恒压输出。文献提出 了一种选择性功 率传输技术，该技术在负载端 加入动态电容环节，在功率流目标确 定后，通过改变功 率 发射端工作频率实现与动 态电容的阻抗匹配。这种模块化多端口无线电能 传输系统建模与控制方法能够实现每 次功率传 输时仅 有一个负载 端口接收功率，减少了负载 端口线圈 间交叉耦 合的影响，解 决了功率分配不均的问题。文献提出了一个多负载多线圈 的拓扑结 构，对于不希望耦合的负载端口，该文 献通过物理方法对线圈进行隔离，实现线圈间的去耦，最终实现负载恒压特 性，负载电压偏差值较小。上述关于多端口的研究虽然拓展了系统输入或输出端的数目，但均局限于能量的单向流动。此处提出了一种系统。由多个通过磁耦合、具有 参数 设计一致性的端口组成，能够实现端口间能 量自由交互。模块化的特点使得该系统可以自由重组，具有高度的可重构性与可拓展性，能 够在多样化的场合下使用。系统建模与分 析图为 的拓扑结 构。图拓扑结构系统中每个模块由半桥变流单元、谐振补 偿网络以及 线圈组成。考虑到结 构 具 有恒流输出特性、高功率传输等级，此处选择该结构作为系统的补偿网络。其中，为 第个模 块中的半桥单 元 上下桥臂的，为上桥臂驱动信号相位，为直流侧电压幅 值，为线圈自感，为第（个模 块与第个 模块线圈 间的互感，分别为 补 偿中串联 补偿电容、并联补偿电容 和串联补偿电感，为 半 桥逆变 输出电流乂为线圈电流，为桥臂中点输出电压。多端口功率传输特性补 偿网络中，各参数满 足以下关系：（）（，）（）（）式中：心为端口 的互感电动 势，化文将式（）和表达式代入式（），得到半桥输出电流与线圈电流 表达式与端口输出功率为：，（）尹（）（“久（）式中：为端口？和端口上桥臂开 关管驱动信号相位差八。式（）表明系统的功率流控制可以通 过 改 变各端口开关管 驱 动 信号相位来 实现。功率相位 控制方法下的开 关序列以及桥臂中点输出电压波形如图所示。图开关 序 列 及输出电压波形 软开关特性系统采用 作为开关器件。多端口系统中数量众多的若工作在硬开关状态下，会显著 降低功率传输 效 率。对提高系统工作效率十 分重要。设为桥臂上 管导通时刻，为下管导通时刻，此处 要实现的充要条件为：在时 刻由补偿网络向桥臂中点流动，此时上桥臂开关管反并联二极 管导通，其漏源电压被二极管箝 位至零。在时 刻由桥臂中点向补偿网络流动，此时 下管的反并联二极 管导通，其漏源电压被二极管箝位至零。状态下的电压和电流波形如图所示。（），（）（）式中：为系统工作角频率。考 虑到网络的选 频特性，在功率 传输特性 分析过程中仅 考虑基波的作用。设仏为的基波，其表达式为：）（）对端口回路根据基尔霍夫电压定律，有：图状态 下的 电压和 电流波形（格）（）端口图工况下实验波形 （格）（）端口图工况下实验波形 分析给定的，乐，此时端口相位关系满足式（）不等 式关系，测量端口下桥臂的知，得图所示波形。（下转第页）（格）端（格）端口（格）（格（）端口（）端口图为工况的各 端口实验波形，图为工况的各端口的实验波形。其中，为各端口桥臂中点电压，；为线圈电压；为线圈电流。电流采样方向与电压方向呈关联方向。工况下各端口相位为侧电压为，。工况下各端口相位为，各端口直流侧电压为网，叫乂，。根据（）可知，与相位差绝对 值小于 时该端口表现为输出功率，反之则为吸 收 功率。工况丨下各端口功 率 为，此时系统 效 率为。工况下各端口功率为，系统效率 为。由分 析可知，实现需要 准确把握电流 在特定 时刻的方向，这需要对输出电流的时域方程进行 分析。式（）为仅考虑基波情况下求得的 电流表达式，实际情况中谐 振网络还存在 幅 值较低的高频 奇 次谐波。这些谐波在功率分 析中可忽略 不计，但在分析中需要考虑在内。考 虑到 系统端口参 数设计具 有一致性，设任意端口的串联补 偿电感，并联补偿电容，串联补偿电容，线圈自感，任意线圈互感。在以上条件下得到考虑次谐波的输出电流时域方 程为：）？，（）（？（）（），（）（；）（）式中：仏与表不为 ）。根据上述分析与图可知，实现时的 电流时域方程需满足以下条件：，（，（，）（）由式（）确定：（，！？（）结合式（），（）可知（）异 号，因此只需满足上、下桥臂开关管即工作在状 态。将 式（）代入（）的表达式 有：（）（）（）式（）即为端口实现的条件。实验验证为验证所提 拓扑的有 效性，此处基于三端口系统搭建了实验验证平台。实 验中三端口的元器件 参数保持一致，系统各部分参数 数值如下：（；工作频率。线圈采用利 兹 线按照平面正方形绕制。每个端口的线圈尺寸保持一致：外边长为，内边长为，线圈间距为。每个端口由电路、开关 管驱动电路、半桥电路、补偿网络 等构成。功率 传输特性分析根据功率的流向不同可将三端口系 统的运行分为两种工况：工况下两端口向其余单端口输出能量；工况下单端口向两端口输出能量。端口间 的功率流方向与大小通过输出的信号控制。输入端口由直流源保持 输入电压恒定。输出端口通过调 整电子负载阻值保持输出端口电压恒定。第 卷第期电力电子技术，年月）、（兹、）（迮）作为驱动信号，可认为其处于高电位时导通，低电位时关断。由图可知，下降沿总是先 于、上升沿，上升沿总慢于下 降沿，即在开关 管 关断后，其两端电压才开始上升；而在开关 管导通前，两端电压己下降至零，此时开关 管工作在状态下。结论提出 了一种模 块 化多端口无线电能传 输系统，针对所提系统 推 导了其功率传输特性以及软开关实现方法。相关理论分析 为系统功率相位控制的方式 提 供了理论依 据。为了证明理论推导的正确性，搭建了一个三端口的无线电能传 输系统。实验结果 表明，通过 控制 各端口相位能够实现单值）时的稳态运行的实验结 果以及给定值由切换至时的动态运行的实验结果见图。可见，仏稳定于，系统运行于单位功率因数状态。同时，保持为 零，处于位置处，表明馈电过程中 电机处于静止状态。结论此处结合绕组分裂式开关磁阻电机和传统的不对 称半桥驱动功率变换器，提出了一种 新型的集成式电驱重构型车载双向变 换器系统。通过引入集成驱动 复用技术，利用三相中间抽头 式 开 关磁阻电机，在避免引入额外储能变 换单元的前提下，实现了静止车载双向充馈电，有 效地解决了电机 绕组复用带 来的 电动汽车振动问题。进一步地，分析了无桥充电变 换器的输入电流 畸 变成因，改进开关 管 控制策略，优 化了输入电流波形。在此基础上，搭建了一台实验样 机并验证了所提双向变换器系统的可行 性。参 考文献 ，？（上接第页），（）：於锋，张蔚，刘春 华，等电动汽 车用电驱 重构型充电系统及其关键技术综述电力自动化设备，（）：，：，？，（）：，？，（）：，？，（）：佟明昊，程明，许芷源，等电动 汽车 用车 载集成式充电系统若干关键技术问题及解决方案电工技 术学 报，（）：输入多输出功率流动 或多输入单输出功率流动，系统 效率可达。当相位满足推导条件时，端口能工作在软开关 状 态下。参考文献薛明，杨庆新，章鹏 程，等无 线电能传 输技术应用研究现状与 关键问题电工技术学 报，（）：，？，？，（）：龙淑 群，李 志忠，秦 俊豪，等基于 拓扑的四通路无线电能传 输系统电力电子技术，（）：，？，（）：卢伟国，陈 伟铭，李慧荣多负载多线圈无线电能传输系统各路输出的恒压特性 设计电工技 术学报，（）：第卷第期电力 电子技术，年月