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一种具有扩展零电压切换区域的无源分数阶WPT系统
A Powerless Fractional-Order WPT System With Extended Zero Voltage Switching Region
| 作者 | Houxuan Liu · Liangzong He · Bing Cheng |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 无线电能传输 逆变器 相移控制 无功能量分数阶电容 系统效率 |
语言:
中文摘要
逆变器对于无线电能传输(WPT)系统至关重要,其损耗不容忽视。对于WPT系统中的宽输出电压调节,在不使用直流 - 直流转换器的情况下,常采用移相(PS)控制,这会导致逆变器硬开关。为解决这一问题,在实际应用中,针对基于PS调制的WPT系统提出了无功分数阶电容(P - FOC),其能够自适应地实现阶数为1或 - 1的可变电容。该系统可在使谐振槽路电流最小化的同时,保持较宽的零电压开关(ZVS)区域。同时,逆变器能够实现软开关。因此,与传统PS控制相比,系统效率得到显著提高,尤其是在轻载情况下。与传统的基于开关电容(SC)或可变电感(VI)的WPT系统相比,P - FOC和逆变器仅需一个反馈回路即可同时调节两个变量。较少的信号需求和简化的控制策略带来了更大的便利。最后,搭建了一个输入电压为72V、输出电压为24V至60V的180W实验样机。实验结果表明,系统峰值效率为92%,整体效率优于传统系统,验证了P - FOC的有效性。
English Abstract
The inverter is crucial for a wireless power transfer (WPT) system, wherein its losses cannot be overlooked. For wide output voltage regulation in the WPT system, the phase-shifting (PS) control is often adopted without dc-dc converters, which results in the hard-switching of the inverter. To address this issue, in the implementation, the powerless fractional-order capacitor (P-FOC) is proposed for the WPT system based on PS modulation, which can adaptively achieve variable capacitance with an order of 1 or −1. Where the system can maintain a wide region of zero voltage switching (ZVS) while minimizing the current in the resonant tank. Meanwhile, the inverter could realize its soft-switching. Hence, the system efficiency has been significantly improved compared with traditional PS control, especially under light loads. Compared with conventional switched-capacitors (SC) or variable inductors (VI) based WPT system, the P-FOC and inverter need only one feedback loop simultaneously to regulate two variables. Fewer signal requirements and simplified control strategies bring greater convenience. Finally, a 180W prototype with 72V input voltage and 24V to 60V output voltage is built. Experimental results show the peak efficiency is 92%, and the overall efficiency is superior to traditional system, verifying the effectiveness of P-FOC.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于无功分数阶电容器(P-FOC)的无线电能传输技术具有重要的参考价值,特别是在储能系统和电动汽车充电领域的应用潜力值得关注。
该技术的核心创新在于通过P-FOC实现自适应可变电容,配合移相控制在宽输出电压范围内保持零电压开关(ZVS),有效解决了传统方案中逆变器硬开关导致的效率损失问题。这与阳光电源在逆变器技术上追求高效率、宽工作范围的产品理念高度契合。实验数据显示92%的峰值效率,特别是轻载工况下效率显著提升,这对于储能系统在部分负载运行场景具有实际意义。
从业务应用角度分析,该技术在以下方向存在机遇:一是户用储能系统的无线充电模块化设计,可简化安装维护;二是电动汽车无线充电解决方案,配合阳光电源在新能源汽车领域的布局;三是光储一体化系统中的模块间无线能量传输,提升系统灵活性。相比传统开关电容或可变电感方案,P-FOC仅需单一反馈回路同时调节两个变量,控制策略的简化对产品化具有积极意义。
然而技术挑战同样明显:180W的功率等级距离阳光电源主营的千瓦级至兆瓦级应用存在数量级差距,大功率扩展时的热管理、电磁兼容性和成本控制需要深入验证。分数阶器件的长期可靠性和供应链成熟度也是产品化的关键制约因素。建议将该技术作为前瞻性储备,重点关注其在小功率辅助电源、传感器节点等细分场景的应用可能性,同时跟踪大功率无线电能传输的技术演进路径。