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河北工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出一種基于無(wú)線充電系統(tǒng)的多模塊可擴(kuò)展充電均壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無(wú)線充電系統(tǒng)自身高頻特性取代傳統(tǒng)均壓電路所需高頻電源。同時(shí)，基于其物理隔離特性提高無(wú)線充電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的可行性，解決傳統(tǒng)均壓系統(tǒng)體積大，難以用于對(duì)體積要求高的無(wú)線充電場(chǎng)景這一問(wèn)題。 本文分析非理想狀態(tài)下各電池串充電電壓不均導(dǎo)致的電池壽命削減和充電靈活性較差問(wèn)題，并提出一種在非理想狀態(tài)下系統(tǒng)可靠充電的方法，通過(guò)設(shè)定期望的閾值電壓可靠關(guān)斷充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靈活充電。該無(wú)線充電均壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電池充電過(guò)程中的電壓均衡、延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)減小系統(tǒng)的體積占用，無(wú)線充電均壓系統(tǒng)對(duì)于偏移狀態(tài)也具有一定適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等多種無(wú)線充電場(chǎng)景，為無(wú)線充電均壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有效的解決方案。
研究背景
目前，手機(jī)、電動(dòng)汽車、無(wú)人機(jī)等用電設(shè)備大多數(shù)采用鋰電池作為儲(chǔ)能元件，但由于充電模塊固有的參數(shù)誤差造成各單元起始電壓或充電電流不一致，多個(gè)鋰離子電池的充電電壓不均導(dǎo)致某電池設(shè)備的電流過(guò)大，過(guò)大的電流應(yīng)力使得系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，這不僅會(huì)降低電池的使用壽命，同時(shí)降低系統(tǒng)的安全性，均壓電路的提出可解決上述問(wèn)題。
河北工業(yè)大學(xué)研究人員，提出基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的模塊化可擴(kuò)展電壓倍增器均壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能模塊非理想狀態(tài)下的充電均壓，提高了無(wú)線充電系統(tǒng)部分發(fā)射線圈的利用率，減少了器件使用數(shù)量，解決了非理想狀態(tài)下儲(chǔ)能單元間電壓不均可能導(dǎo)致的充電安全問(wèn)題。該系統(tǒng)具有很高的可拓展性，用戶通過(guò)改變系統(tǒng)規(guī)模得到期望的充電容量，該技術(shù)可應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等多種無(wú)線充電場(chǎng)景。
論文所解決的問(wèn)題及意義
無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）系統(tǒng)通過(guò)高頻狀態(tài)下的磁耦合諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，具有發(fā)射與接收側(cè)物理隔離的特性，解決了不便使用導(dǎo)線情況下的供電問(wèn)題，使電能輸送更加靈活，已用于水下設(shè)備、植入體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備和礦井設(shè)備供電等場(chǎng)景。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
基于目前存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種均壓原理結(jié)構(gòu)，旨在解決傳統(tǒng)均壓系統(tǒng)體積大，難以用于對(duì)體積要求高的無(wú)線充電場(chǎng)景這一問(wèn)題。電壓倍增器由多個(gè)電容器以及二極管組成，在高頻下作為儲(chǔ)能單元的輸入實(shí)現(xiàn)電壓均衡過(guò)程，基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的電壓倍增器均壓原理如圖1所示，無(wú)線均壓充電系統(tǒng)主要由無(wú)線充電系統(tǒng)部分與電壓倍增器均衡模塊兩部分構(gòu)成，電源通過(guò)收發(fā)線圈進(jìn)行無(wú)線電能傳輸，接收線圈接收到的能量即電壓倍增器的輸入量，該輸入再通過(guò)電壓倍增器模塊進(jìn)行均壓并輸送到儲(chǔ)能單元。
圖1 基于無(wú)線電能傳輸?shù)碾妷罕对銎骶鶋涸韴D
電壓倍增器均壓模塊有兩種工作模式，第一種工作模式UC12、UC13、UC14 與VM1構(gòu)成通路。第二種工作模式UC11、UC12、UC13 與VM1構(gòu)成通路。兩種工作模式如圖2所示。每個(gè)超級(jí)電容通過(guò)兩個(gè)二極管加一個(gè)過(guò)渡電容從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的均壓過(guò)程，減少了由于控制元件的投入導(dǎo)致系統(tǒng)的笨重，節(jié)約成本，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，并且可拓展在廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景之中。
a 充電模式1 b 充電模式2
圖 2 均壓模式運(yùn)行分析
結(jié)論
研究人員分別在接收線圈處于理想和非理想位置下開展了充電檢測(cè)與抗偏移實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)電壓恒定輸出，并且文獻(xiàn)對(duì)比分析，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅減少了額外設(shè)備的投入，同時(shí)利用無(wú)線傳能技術(shù)的物理隔離特性解決了不便使用導(dǎo)線充電的狀況，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等多種無(wú)線充電場(chǎng)景，為無(wú)線充電均壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有效的解決方案。
團(tuán)隊(duì)介紹
河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院高性能智慧無(wú)線電能傳輸團(tuán)隊(duì)，為國(guó)內(nèi)首批研究無(wú)線電能傳輸技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，面向新能源為主體的新型電力系統(tǒng)國(guó)家需求，聚焦多場(chǎng)景寬領(lǐng)域的安全高效無(wú)線電能傳輸技術(shù)，主要開展無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的異物檢測(cè)、抗偏移效果、電磁屏蔽安全性、近區(qū)電磁場(chǎng)能量流動(dòng)、電容及混合感應(yīng)傳能、磁熱均衡、參數(shù)辨識(shí)等方向的研究。團(tuán)隊(duì)成立以來(lái)，先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市和河北省省部級(jí)橫縱項(xiàng)目等30余項(xiàng)，團(tuán)隊(duì)成員累計(jì)發(fā)表論文100余篇，已授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。
本工作成果發(fā)表在2024年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于無(wú)線充電系統(tǒng)的多模塊擴(kuò)展均壓技術(shù)研究與設(shè)計(jì)“。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目的支持。
引用本文
劉祺, 薛明, 章鵬程, 劉力舟, 楊新生. 基于無(wú)線充電系統(tǒng)的多模塊擴(kuò)展均壓技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2024, 39(22): 6980-6989. Liu Qi, Xue Ming, Zhang Pengcheng, Liu Lizhou, Yang Xinsheng. Modular Extensible Voltage Equalization Based on Wireless Charging System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 6980-6989.
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