無線充電技術工程中心


    綜合發展情況


    山東中科先進技術研究院無線充電工程中心現有研發人員12人,其中正高級職稱1人,博士2人(均為無線充電領域專家和學術帶頭人),碩士2人,本科以上成員占比100%,成員梯隊建設趨于合理、穩定。中心主要開展無線充電系統及高端智能制造裝備等核心業務。中心自成立以來先后承擔了國家及省部級縱向課題3項,項目總經費超過600萬元。致力于工業自動化、AGV、軍工、新能源電動汽車、無人機及無線/有線充電樁幾大行業領域,專注于大中小功率段無線供電技術的研發、解決方案及應用。中心正在規劃建設無線充電公共技術服務平臺,支持相關產業發展,并聚集一批海內外高層次人才。通過建設一個以網絡技術為基礎,信息服務體系為支撐,共享機制為保障的無線充電公共技術平臺,能促進資源共享、系統集成,能更好地為企業、院校、科研機構等提供一個無線充電領域交流、咨詢、實驗測試、成果轉化的公共平臺。


    發射端控制器以及發射端.jpg



    發展方向


    ◆ 適用于WPT的控制算法

    本項目重點研究應用于AGV的WPT系統初級側DC/DC轉換器的能量整形控制器,通過使用端口控制的哈密頓系統(PCHS)和IDA-PBC,所研究的控制器可確保系統的穩定性和快速響應,以動態實現目標輸出功率。該目標可以通過調節DC/DC轉換器的電壓間接實現,可以從電壓變換的算法中得出功率傳輸模型。此外,由于電池的工作狀態和目標功率在充電過程中會動態變化,因此設計一個控制器來實時滿足所需的系統功率為研究的難點。為了基于需求功率調節傳輸功率,研究一種用于充電功率的動態調節策略,以與能量整形控制器一起工作,使得該控制器具有更好的動態性能,構建用于AGV的1.5kWWPT系統輸出功率。

    ◆ 基于SiC電力電子器件的高效率單相PFC拓撲研究

    無線充電電源的第一級為PFC電路,其性能優劣對整個系統的表現影響極大,是整個系統研發的基礎。目前,鑒于對效率提升的考慮,采用無橋PFC結構成為設計者和研究者的共識。單相PFC的整體結構分為單路結構和多路交錯并聯結構。首先,對于單路結構的PFC,由于新型寬禁帶電力電子器件的應用,前期關于效率及EMI等比較方面所得出的結論可能會發生改變,需要對此進行對比研究以選取一種綜合性能最優拓撲作為單路結構的代表。其次,對多路交錯結構的效率進行研究并與單路最優結構進行對比。單路結構在大功率環境下有可能出現很多問題,比如電力電子器件的容量和整個系統的散熱分布問題,還有網側濾波電感的最優設計問題。因此對多路交錯并聯結構展開研究,包括兩路交錯、三路交錯及四路交錯三種并聯結構的效率進行對比研究,最終確定最優效率的拓撲選擇。最后,綜合考慮各種拓撲的效率指標及成本因素,并考慮單相三相電壓輸入兼容的問題,得出按照效率最優及綜合性能最優的設計結論與方案。

    ◆ 抑制PFC輸出電壓二次脈動對效率的影響研究

    鑒于單相PFC輸出電壓的二次脈動對無線充電系統的嚴重影響,如何抑制或消除該影響是系統設計不能回避的關鍵問題,方案的選擇同樣影響著充電電源的效率。為此,本項目擬對三種不同方案進行對比研究。第一種方案為PFC后加入中間級DC/DC穩壓變換電路。高壓SiC-MOSFET的應用有可能將基于Si器件的多電平DC/DC結構簡化,以期望得到更高的效率并減低系統復雜度。PFC后串聯一級DC/DC電路以穩定逆變器輸入,該方案抑制二次脈動的實質為將PFC所驅動的二端網絡的二次諧波阻抗等效為無窮大,以致二次脈動功率完全由PFC的直流電容承擔。因此需要研究的一個重要問題是直流側電容的電壓波動與電容配置問題。第二種方案為PFC后加入二次脈動有源電力濾波器(APF)。上述第一種方案中DC/DC電路需要處理整個系統功率,所形成的串聯結構形成了對效率的潛在影響。第二種方案種加入的APF僅僅為二次脈動能量提供緩沖,并不直接處理全部系統功率,有可能會產生大的效率提升。另一方面,加入的APF由于需要額外的電容或電感對二次脈動能量進行存儲且加入的變換器為全橋變換器,也無形中增大了能量損耗,需要對其中的儲能電容和電感的參數問題進行研究。第三種方案為二次電壓脈動抑制與高頻DC/AC電路的融合。高頻DC/AC電路產生高頻交流電壓直接驅動發射線圈及諧振補償網絡,其結構仍然為電力MOSFET構成的變換電路。探索二次脈動抑制與高頻逆變的結合,可以省略中間DC/DC電路,這在理論上可以簡化系統結構、降低成本及提升效率。但另一方面,上述的融合也要考慮無線充電系統對直流電壓范圍的要求,同時還要考慮該融合對DC/AC電路實現軟開關的影響,需要進行研究和實驗驗證。

    ◆ 高頻DC/AC控制策略研究

    在無線充電電源系統省略中間級DC/DC電路的方案中,DC/AC電路須實現二次脈動電壓抑制及電壓輔助調節功能,同時還要兼顧高效率。為此,本項目初步擬以基本的SiC全橋逆變器為研究對象。首先,研究全橋逆變器基波調壓與二次脈動抑制融合的PWM調制方法。全橋逆變器輸出基波調壓最有效的方法為采用移相PWM方法,融入二次脈動抑制后,開關管的調制波如何形成才能實現交流基波電壓有效值調整同時又不含二次脈動成分將是一個重要的研究內容。其次,評估脈寬調整的幅度對開關管軟開關的影響。移相控制下,當移相角與負載阻抗角相當時,逆變器滯后橋臂會丟失軟開關,造成開關損耗上升,是否會影響到該方案的優越性需進行評估和驗證。最后,針對滯后橋臂可能出現的軟開關丟失現象研究彌補措施。如果軟開關丟失對整體效率造成較大影響,研究新的電路拓撲解決此問題也將是重要研究內容。




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