Single-stage Inductive Power Transferred Battery Charger Based on Minimal Three-capacitor Compensation

Jidong YU; Xiaohui QU; Guoyu WANG; Wu CHEN; Haijun CHU

doi:10.7500/AEPS20201015003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Single-stage Inductive Power Transferred Battery Charger Based on Minimal Three-capacitor Compensation

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Single-stage Inductive Power Transferred Battery Charger Based on Minimal Three-capacitor Compensation
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 14, Pages: 165-172(2021)
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096
  2.江苏省智能电网技术与装备重点实验室（东南大学），江苏省南京市 210096
  3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China;Jiangsu Provincial Natural Science Foundation of China;Fundamental Research Funds for the Central Universities
- DOI：10.7500/AEPS20201015003
  CLC：
- Received：15 October 2020，
  
  Revised：2021-03-12，
  
  Published Online：12 May 2021，
  
  Published：25 July 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
郁继栋,曲小慧,王国雨等.基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器[J].电力系统自动化,2021,45(14):165-172.

YU Jidong,QU Xiaohui,WANG Guoyu,et al.Single-stage Inductive Power Transferred Battery Charger Based on Minimal Three-capacitor Compensation[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(14):165-172.
郁继栋,曲小慧,王国雨等.基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器[J].电力系统自动化,2021,45(14):165-172. DOI： 10.7500/AEPS20201015003.

YU Jidong,QU Xiaohui,WANG Guoyu,et al.Single-stage Inductive Power Transferred Battery Charger Based on Minimal Three-capacitor Compensation[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(14):165-172. DOI： 10.7500/AEPS20201015003.

摘要

为适应锂电池的先恒流后恒压充电曲线，感应式无线电池充电器应提供其所需的输出，同时在整个充电过程中还应具备阻性输入阻抗，以降低器件应力、减少无功环流。针对4种基本补偿拓扑无法同时实现以上要求，而高阶补偿网络必须依赖更多器件实现上述需求的问题，系统地推导了具备阻性输入阻抗和恒定输出特性的基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器的设计自由度，分析其补偿参数与工作频率的约束条件。同时，对三电容补偿的串/串并（S/SP）和串/并串（S/PS）结构的输出特性进行分析和对比，分析补偿元件参数对输入阻抗角和输出增益的影响，以指导软开关设计。最后，搭建一台输出为48 V/2 A的单级式无线电池充电器以证明以上设计的可行性。

Abstract

To adapt to the charging profile of lithium-ion battery consisting of an initial constant current (CC) and a subsequent constant voltage (CV)

an inductive power transferred battery charger should provide the required output as well as resistive input impedance to reduce device stresses and reactive power during the whole charging process. In view of the fact that the four basic compensation topologies cannot meet the above requirements at the same time

and the high-order compensation network must rely on more devices to satisfy the above requirements

the design freedom of single-stage inductive power transferred battery chargers based on the minimal three-capacitor compensation is systematically derived

which has the characteristics of resistive input impedance and constant output

and the constraints of its compensation parameters and operation frequency are analyzed. Meanwhile

the output characteristics of the S/SP and S/PS structures of three-capacitor compensation are analyzed and compared

and the influence of the compensation component parameters on the input impedance angle and output gain is analyzed to guide the soft switch design. Finally

a single-stage inductive power transferred battery charger with an output of 48 V/2 A is built to verify the feasibility of the above design.

关键词

Keywords

references

张波，疏许健，吴理豪，等 . 无线电能传输技术亟待解决的问题及对策［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 18 ）： 1 - 12 .

ZHANG Bo ， SHU Xujian ， WU Lihao ， et al . Problems of wireless power transmission technology urgent to be solved and corresponding countermeasures ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 18 ）： 1 - 12 .

王登辉，张波 . 便携式设备无线充电技术发展及关键技术［J］. 电源学报， 2020 ， 18 （ 5 ）： 163 - 172 .

WANG Denghui ， ZHANG Bo . Development and key technologies of wireless charging for protable devices ［J］. Journal of Power Supply ， 2020 ， 18 （ 5 ）： 163 - 172 .

李睿泽，杨庆新，李永健，等 . 邻近耦合无线电能传输系统的高效屏蔽设计与优化［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 21 ）： 163 - 171 .

LI Ruize ， YANG Qingxin ， LI Yongjian ， et al . Efficient shielding design and optimization of wireless power transfer system with proximity coupling ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 21 ）： 163 - 171 .

朱春波，姜金海，宋凯，等 . 电动汽车动态无线充电关键技术研究进展［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 2 ）： 60 - 65 .

ZHU Chunbo ， JIANG Jinhai ， SONG Kai ， et al . Research progress of key technologies for dynamic wireless charging of electric vehicles ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 2 ）： 60 - 65 .

范兴明，高琳琳，莫小勇，等 . 无线电能传输技术的研究现状与应用综述［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 7 ）： 1353 - 1380 .

FAN Xingming ， GAO Linlin ， MO Xiaoyong ， et al . Overview of research status and application of wireless power transmission technology ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 7 ）： 1353 - 1380 .

黄学良，王维，谭林林 . 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 2 ）： 1 - 14 .

HUANG Xueliang ， WANG Wei ， TAN Linlin . Technical progress and application development of magnetic coupling resonant wireless power transfer ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 2 ）： 1 - 14 .

ESTEBAN B ， SID-AHMED M ， KAR N C . A comparative study of power supply architectures in wireless EV charging systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 11 ）： 6408 - 6422 .

杨斌，麦瑞坤，杨乃健，等 . 消除交叉耦合的三相感应式电能传输系统［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 17 ）： 147 - 152 .

YANG Bin ， MAI Ruikun ， YANG Naijian ， et al . Three-phase inductive power transfer system with cross-coupling elimination ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 17 ）： 147 - 152 .

吉莉，王丽芳，廖承林，等 . 副边自动切换充电模式的电动汽车无线充电系统设计［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 23 ）： 137 - 142 .

JI Li ， WANG Lifang ， LIAO Chenglin ， et al . Design of electric vehicles wireless charging system with automatic charging mode alteration at secondary side ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 23 ）： 137 - 142 .

CHEN Yang ， LI Mingxuan ， YANG Bin ， 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 .

麦瑞坤，张友源，陈阳，等 . 可配置充电电流的变结构无线充电系统研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 11 ）： 3335 - 3343 .

MAI Ruikun ， ZHANG Youyuan ， CHEN Yang ， et al . Study on IPT charging system with hybrid topology for configurable charge currents ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 11 ）： 3335 - 3343 .

张辉，王换民，李宁，等 . 电动汽车无线充电混合补偿拓扑电路分析［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 16 ）： 71 - 75 .

ZHANG Hui ， WANG Huanmin ， LI Ning ， et al . Analysis on hybird compensation topology circuit for wireless charging of electric vehicles ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 16 ）： 71 - 75 .

QU Xiaohui ， HAN Hongdou ， WONG Siuchung ， 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 ）： 9329 - 9337 .

陈凯楠，赵争鸣，刘方，等 . 电动汽车双向无线充电系统谐振拓扑设计［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 2 ）： 66 - 72 .

CHEN Kainan ， ZHAO Zhengming ， LIU Fang ， et al . Analysis of resonant topology for bi-directional wireless charging of electric vehicles ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 2 ）： 66 - 72 .

王立业，岳圆，王丽芳，等 . 基于负载和互感参数摄动的电动汽车无线充电控制［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 15 ）： 178 - 185 .

WANG Liye ， YUE Yuan ， WANG Lifang ， et al . Wireless charging control for electric vehicle based on parameters perturbation of load and mutual inductance ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 15 ）： 178 - 185 .

刘帼巾，白佳航，崔玉龙，等 . 基于双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统研究［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 8 ）： 1569 - 1579 .

LIU Guojin ， BAI Jiahang ， CUI Yulong ， et al . Double-sided LCL compensation alteration based on MCR-WPT charging system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 8 ）： 1569 - 1579 .

QU Xiaohui ， JING Yanyan ， HAN Hongdou ， et al . Higher order compensation for inductive-power-transfer converters with constant-voltage or constant-current output combating transformer parameter constraints ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 394 - 405 .

陆江华，朱国荣，黎文静，等 . 感应耦合能量传输系统中双边LCC谐振腔恒流和恒压模式的研究［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 9 ）： 2768 - 2778 .

LU Jianghua ， ZHU Guorong ， LI Wenjing ， et al . Constant current and constant voltage outputs for double-sided LCC resonant tank in inductively coupled power transfer system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 9 ）： 2768 - 2778 .

刘闯，郭赢，葛树根，等 . 具备恒压特性的SP/S感应式无线电能传输系统［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 13 ）： 149 - 154 .

LIU Chuang ， GUO Ying ， GE Shugen ， et al . The SP/S inductive power transfer system with constant voltage characteristics ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 13 ）： 149 - 154 .

王懿杰，姚友素，刘胜晓，等 . 无线电能传输用S/CLC补偿拓扑分析［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 22 ）： 34 - 41 .

WANG Yijie ， YAO Yousu ， LIU Shengxiao ， et al . Analysis on S/CLC compensation topology for wireless power transfer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 22 ）： 33 - 41 .

HOU Jia ， CHEN Qianhong ， WONG Siuchung ， et al . Analysis and control of S/SP compensated resonant converter for contactless power transfer ［J］. IEEE Journal of Emerging Selected Topics in Power Electronics ， 2015 ， 3 （ 1 ）： 124 - 136 .

LU Yuehai ， QIU Dongyuan ， MENG Tiantian ， et al . S-PS resonant topology of WPT system for implantable spinal cord stimulator ［J］. IET Power Electronics ， 2018 ， 11 （ 15 ）： 2499 - 2505 .

YAO Yousu ， WANG Yijie ， LIU Shengxiao ， et al . Analysis and design of an S/SP compensated IPT system to minimize output voltage fluctuation versus coupling coefficient and load variation ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2018 ， 67 （ 10 ）： 9262 - 9272 .

国玉刚，崔纳新 . LCC-S型无线电能传输系统优化配置及特性研究［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 18 ）： 3723 - 3731 .

GUO Yugang ， CUI Naxin . Research on optimal configuration and characteristics based on LCC-S type wireless power transfer system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 18 ）： 3723 - 3731 .

LU Jianghua ， ZHU Guorong ， LIN Deyan ， et al . Unified load-independent ZPA analysis and design in CC and CV modes of higher order resonant circuits for WPT systems ［J］. IEEE Transactions on Electrification ， 2019 ， 5 （ 4 ）： 977 - 987 .

QU Xiaohui ， JING Yanyan ， LIAN Jing ， et al . Design for continuous-current-mode operation of inductive-power-transfer converters with load-independent output ［J］. IET Power Electronics ， 2019 ， 12 （ 10 ）： 2458 - 2465 .

QU Xiaohui ， CHU Haijun ， WONG Siuchung ， et al . An IPT battery charger with near unity power factor and load-independent constant output combating design constraints of input voltage and transformer parameters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 8 ）： 7719 - 7727 .

张晓明，蔡涛，胡红晟，等 . 计及谐波和死区影响的IPT系统时域建模与软开关特性分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 17 ）： 140 - 146 .

ZHANG Xiaoming ， CAI Tao ， HU Hongsheng ， et al . Time-domain modeling and soft-switching characteristic analysis of inductive power transfer system considering influence of harmonics and dead time ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 17 ）： 140 - 146 .

张望，伍小杰，夏晨阳，等 . 补偿参数对串/串补偿型无线电能传输系统特性的影响分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 7 ）： 166 - 173 .

ZHANG Wang ， WU Xiaojie ， XIA Chenyang ， et al . Effect of compensation parameter on characteristics of series/series compensated wireless power transfer system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 7 ）： 166 - 173 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

副边自动切换充电模式的电动汽车无线充电系统设计

Related Author

JI Li

Related Institution

Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive of Chinese Academy of Sciences (Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences)

⁰