无线充电技术工程中心


    综合发展情况


    山东中科先进技术研究院无线充电工程中心现有研发人员12人,其中正高级职称1人,博士2人(均为无线充电领域专家和学术带头人),硕士2人,本科以上成员占比100%,成员梯队建设趋于合理、稳定。中心主要开展无线充电系统及高端智能制造装备等核心业务。中心自成立以来先后承担了国家及省部级纵向课题3项,项目总经费超过600万元。致力于工业自动化、AGV、军工、新能源电动汽车、无人机及无线/有线充电桩几大行业领域,专注于大中小功率段无线供电技术的研发、解决方案及应用。中心正在规划建设无线充电公共技术服务平台,支持相关产业发展,并聚集一批海内外高层次人才。通过建设一个以网络技术为基础,信息服务体系为支撑,共享机制为保障的无线充电公共技术平台,能促进资源共享、系统集成,能更好地为企业、院校、科研机构等提供一个无线充电领域交流、咨询、实验测试、成果转化的公共平台。


    发射端控制器以及发射端.jpg



    发展方向


    ◆ 适用于WPT的控制算法

    本项目重点研究应用于AGV的WPT系统初级侧DC/DC转换器的能量整形控制器,通过使用端口控制的哈密顿系统(PCHS)和IDA-PBC,所研究的控制器可确保系统的稳定性和快速响应,以动态实现目标输出功率。该目标可以通过调节DC/DC转换器的电压间接实现,可以从电压变换的算法中得出功率传输模型。此外,由于电池的工作状态和目标功率在充电过程中会动态变化,因此设计一个控制器来实时满足所需的系统功率为研究的难点。为了基于需求功率调节传输功率,研究一种用于充电功率的动态调节策略,以与能量整形控制器一起工作,使得该控制器具有更好的动态性能,构建用于AGV的1.5kWWPT系统输出功率。

    ◆ 基于SiC电力电子器件的高效率单相PFC拓扑研究

    无线充电电源的第一级为PFC电路,其性能优劣对整个系统的表现影响极大,是整个系统研发的基础。目前,鉴于对效率提升的考虑,采用无桥PFC结构成为设计者和研究者的共识。单相PFC的整体结构分为单路结构和多路交错并联结构。首先,对于单路结构的PFC,由于新型宽禁带电力电子器件的应用,前期关于效率及EMI等比较方面所得出的结论可能会发生改变,需要对此进行对比研究以选取一种综合性能最优拓扑作为单路结构的代表。其次,对多路交错结构的效率进行研究并与单路最优结构进行对比。单路结构在大功率环境下有可能出现很多问题,比如电力电子器件的容量和整个系统的散热分布问题,还有网侧滤波电感的最优设计问题。因此对多路交错并联结构展开研究,包括两路交错、三路交错及四路交错三种并联结构的效率进行对比研究,最终确定最优效率的拓扑选择。最后,综合考虑各种拓扑的效率指标及成本因素,并考虑单相三相电压输入兼容的问题,得出按照效率最优及综合性能最优的设计结论与方案。

    ◆ 抑制PFC输出电压二次脉动对效率的影响研究

    鉴于单相PFC输出电压的二次脉动对无线充电系统的严重影响,如何抑制或消除该影响是系统设计不能回避的关键问题,方案的选择同样影响着充电电源的效率。为此,本项目拟对三种不同方案进行对比研究。第一种方案为PFC后加入中间级DC/DC稳压变换电路。高压SiC-MOSFET的应用有可能将基于Si器件的多电平DC/DC结构简化,以期望得到更高的效率并减低系统复杂度。PFC后串联一级DC/DC电路以稳定逆变器输入,该方案抑制二次脉动的实质为将PFC所驱动的二端网络的二次谐波阻抗等效为无穷大,以致二次脉动功率完全由PFC的直流电容承担。因此需要研究的一个重要问题是直流侧电容的电压波动与电容配置问题。第二种方案为PFC后加入二次脉动有源电力滤波器(APF)。上述第一种方案中DC/DC电路需要处理整个系统功率,所形成的串联结构形成了对效率的潜在影响。第二种方案种加入的APF仅仅为二次脉动能量提供缓冲,并不直接处理全部系统功率,有可能会产生大的效率提升。另一方面,加入的APF由于需要额外的电容或电感对二次脉动能量进行存储且加入的变换器为全桥变换器,也无形中增大了能量损耗,需要对其中的储能电容和电感的参数问题进行研究。第三种方案为二次电压脉动抑制与高频DC/AC电路的融合。高频DC/AC电路产生高频交流电压直接驱动发射线圈及谐振补偿网络,其结构仍然为电力MOSFET构成的变换电路。探索二次脉动抑制与高频逆变的结合,可以省略中间DC/DC电路,这在理论上可以简化系统结构、降低成本及提升效率。但另一方面,上述的融合也要考虑无线充电系统对直流电压范围的要求,同时还要考虑该融合对DC/AC电路实现软开关的影响,需要进行研究和实验验证。

    ◆ 高频DC/AC控制策略研究

    在无线充电电源系统省略中间级DC/DC电路的方案中,DC/AC电路须实现二次脉动电压抑制及电压辅助调节功能,同时还要兼顾高效率。为此,本项目初步拟以基本的SiC全桥逆变器为研究对象。首先,研究全桥逆变器基波调压与二次脉动抑制融合的PWM调制方法。全桥逆变器输出基波调压最有效的方法为采用移相PWM方法,融入二次脉动抑制后,开关管的调制波如何形成才能实现交流基波电压有效值调整同时又不含二次脉动成分将是一个重要的研究内容。其次,评估脉宽调整的幅度对开关管软开关的影响。移相控制下,当移相角与负载阻抗角相当时,逆变器滞后桥臂会丢失软开关,造成开关损耗上升,是否会影响到该方案的优越性需进行评估和验证。最后,针对滞后桥臂可能出现的软开关丢失现象研究弥补措施。如果软开关丢失对整体效率造成较大影响,研究新的电路拓扑解决此问题也将是重要研究内容。