河北工业大学科研团队提出基于无线充电系统的多模块扩展均压技术研究与设计

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河北工业大学科研团队提出一种基于无线充电系统的多模块可扩展充电均压系统，该系统利用无线充电系统自身高频特性取代传统均压电路所需高频电源。同时，基于其物理隔离特性提高无线充电系统应对复杂场景的可行性，解决传统均压系统体积大，难以用于对体积要求高的无线充电场景这一问题。 本文分析非理想状态下各电池串充电电压不均导致的电池寿命削减和充电灵活性较差问题，并提出一种在非理想状态下系统可靠充电的方法，通过设定期望的阈值电压可靠关断充电系统，实现灵活充电。该无线充电均压系统可实现电池充电过程中的电压均衡、延长电池寿命，同时减小系统的体积占用，无线充电均压系统对于偏移状态也具有一定适应性，可广泛应用于机器人、无人机等多种无线充电场景，为无线充电均压系统的设计和应用提供了有效的解决方案。

研究背景

目前，手机、电动汽车、无人机等用电设备大多数采用锂电池作为储能元件，但由于充电模块固有的参数误差造成各单元起始电压或充电电流不一致，多个锂离子电池的充电电压不均导致某电池设备的电流过大，过大的电流应力使得系统稳定性被破坏，严重情况下导致系统崩溃，这不仅会降低电池的使用寿命，同时降低系统的安全性，均压电路的提出可解决上述问题。

河北工业大学研究人员，提出基于无线电能传输技术的模块化可扩展电压倍增器均压系统，实现了对储能模块非理想状态下的充电均压，提高了无线充电系统部分发射线圈的利用率，减少了器件使用数量，解决了非理想状态下储能单元间电压不均可能导致的充电安全问题。该系统具有很高的可拓展性，用户通过改变系统规模得到期望的充电容量，该技术可应用于机器人、无人机等多种无线充电场景。

论文所解决的问题及意义

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）系统通过高频状态下的磁耦合谐振来实现能量传递，具有发射与接收侧物理隔离的特性，解决了不便使用导线情况下的供电问题，使电能输送更加灵活，已用于水下设备、植入体内医疗设备和矿井设备供电等场景。

论文方法及创新点

基于目前存在的问题，设计了一种均压原理结构，旨在解决传统均压系统体积大，难以用于对体积要求高的无线充电场景这一问题。电压倍增器由多个电容器以及二极管组成，在高频下作为储能单元的输入实现电压均衡过程，基于无线电能传输技术的电压倍增器均压原理如图1所示，无线均压充电系统主要由无线充电系统部分与电压倍增器均衡模块两部分构成，电源通过收发线圈进行无线电能传输，接收线圈接收到的能量即电压倍增器的输入量，该输入再通过电压倍增器模块进行均压并输送到储能单元。

图1 基于无线电能传输的电压倍增器均压原理图

电压倍增器均压模块有两种工作模式，第一种工作模式UC12、UC13、UC14 与VM1构成通路。第二种工作模式UC11、UC12、UC13 与VM1构成通路。两种工作模式如图2所示。每个超级电容通过两个二极管加一个过渡电容从而实现稳定的均压过程，减少了由于控制元件的投入导致系统的笨重，节约成本，延长了电池的使用寿命，并且可拓展在广泛的应用场景之中。

a 充电模式1 b 充电模式2

图 2 均压模式运行分析

结论

研究人员分别在接收线圈处于理想和非理想位置下开展了充电检测与抗偏移实验，结果表明可以实现电压恒定输出，并且文献对比分析，本文设计的结构不仅减少了额外设备的投入，同时利用无线传能技术的物理隔离特性解决了不便使用导线充电的状况，提高了储能系统的可靠性，可广泛应用于机器人、无人机等多种无线充电场景，为无线充电均压系统的设计和应用提供了有效的解决方案。

团队介绍

河北工业大学电气工程学院高性能智慧无线电能传输团队，为国内首批研究无线电能传输技术的团队，面向新能源为主体的新型电力系统国家需求，聚焦多场景宽领域的安全高效无线电能传输技术，主要开展无线电能传输系统的异物检测、抗偏移效果、电磁屏蔽安全性、近区电磁场能量流动、电容及混合感应传能、磁热均衡、参数辨识等方向的研究。团队成立以来，先后承担国家自然科学基金、天津市和河北省省部级横纵项目等30余项，团队成员累计发表论文100余篇，已授权发明专利20余项。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于无线充电系统的多模块扩展均压技术研究与设计“。本课题得到国家自然科学基金面上项目和河北省高等学校科学技术研究项目的支持。

引用本文

刘祺, 薛明, 章鹏程, 刘力舟, 杨新生. 基于无线充电系统的多模块扩展均压技术研究与设计[J]. 电工技术学报, 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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