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变耦合与负载条件下高速谐振式无线功率传输的同步整流技术
Synchronous Rectification for High-Speed Resonant Wireless Power Transfer Under Variable Coupling and Load
| 作者 | Christian Herpers · Matthew MacMillan · Ethan T. Belliveau · Chris D. Rouse |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 同步整流器 无线电能传输 E类拓扑 谐振电容式电能传输 效率 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种适用于涉及可变耦合、可变负载和较低电压（例如 60 V 及以下）应用的高效紧凑型无线电能传输（WPT）同步整流器（SR）。所提出的同步整流器采用了与负载无关的 E 类拓扑结构，以及基于调谐延迟线的相对简单的同步电路。本文给出了在 13.56 MHz 和 27.12 MHz 下工作的谐振电容式电能传输系统中实现的同步整流器的分析、仿真和实验结果。这两个系统在传输距离相对于标称值变化 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\pm$</tex-math></inline-formula> 25% 的范围内均表现出与负载无关的特性。在 13.56 MHz 时，在标称耦合情况下可传输 300 W 功率，直流 - 直流效率约为 81%，这意味着同步整流器的效率为 93%，并且该系统在整个耦合范围内可传输 220 W 功率。在 27.12 MHz 时，在标称耦合情况下可传输 150 W 功率，直流 - 直流效率约为 76%，即同步整流器效率为 89%，且在整个耦合范围内可传输 110 W 功率。所提出的同步整流器在谐振无线电能传输应用中的性能十分可观，尤其是在 27.12 MHz 时。
English Abstract
A synchronous rectifier (SR) for efficient and compact wireless power transfer (WPT) in applications involving variable coupling, variable load, and lower voltages, e.g., 60 V or less, is presented. The proposed SR employs the load-independent class E topology and a relatively simple synchronization circuit based on a tuned delay line. Analytical, simulation, and experimental results are presented for SRs implemented in resonant capacitive power transfer systems operating at 13.56 and 27.12 MHz. Both systems exhibit load independence over transmission distance variations of 25% from nominal. At 13.56 MHz, 300 W is delivered with a dc-to-dc efficiency of approximately 81% at nominal coupling, which translates to an SR efficiency of 93%, and the system can deliver 220 W over the full coupling range. At 27.12 MHz, 150 W is delivered at a dc-to-dc efficiency of approximately 76% at nominal coupling, translating to an SR efficiency of 89%, and 110 W can be delivered over the full coupling range. The performance of the proposed SR for resonant WPT applications is very encouraging, particularly at 27.12 MHz.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，该论文提出的同步整流无线电能传输技术具有重要的战略参考价值。该技术采用E类拓扑结构实现负载独立特性，在13.56 MHz和27.12 MHz频段下分别达到93%和89%的整流效率，在耦合距离变化±25%范围内保持稳定输出，展现出良好的技术成熟度。
对于阳光电源的储能系统业务，该技术可应用于模块化储能单元的非接触式充电场景。传统储能系统中电池模块的物理连接存在接触磨损、维护成本高等痛点，而该无线传输方案在可变耦合条件下仍能保持高效率，特别适合需要频繁更换或移动的储能模块。在光储充一体化电站中，此技术可简化电动汽车充电接口设计，提升用户体验和系统可靠性。
从技术挑战角度分析，该方案目前功率等级（150-300W）相对较小，与阳光电源主流产品的千瓦至兆瓦级功率存在显著差距。要实现产业化应用，需要突破高功率下的热管理、电磁兼容性以及成本控制等关键问题。此外，13.56 MHz和27.12 MHz的ISM频段在不同国家和地区的功率限制也需要重点关注。
技术机遇方面，随着分布式储能、户用光储系统的快速发展，小功率无线充电场景日益增多。阳光电源可将该技术整合到智能家居能源管理系统、便携式储能产品中，形成差异化竞争优势。建议重点关注技术的功率扩展性研究，探索与现有逆变器技术的协同创新路径，为未来高功率密度、高可靠性的新能源产品奠定技术基础。