图1 基于无线电能传输的电压倍增器均压原理
Fig.1 The schematic diagram of the proposed WPT-based VM
摘要 该文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。该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。
关键词：电压倍增器 无线充电 电压均衡 物理隔离
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[1-2]。
Nikola Tesla于19世纪末期首次提出了无线电能传输的概念，无线充电技术常用于无人值守的复杂场景中[3-5]，例如，无人机、自动驾驶车辆和远程操控设备等。将无线电能传输技术应用于无人运行场景中，具有以下优势：①消除电池续航问题，无线电能传输技术能够为无人设备提供持续稳定的能源供应，解决了电池续航问题，延长了设备的工作时间；②降低设备质量，无线电能传输技术允许无人设备摆脱传统电池的束缚，减轻设备负担，提高设备的携带能力；③提高工作效率，无线电能传输技术能够实现设备的智能充电和自动感应，减少了人工操作的需求，提高了设备的工作效率。
上述应用场景对储能系统的可靠性提出了较高要求。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[6-7]，均压电路的提出可解决上述问题[8]。
常见储能系统通过将电池单元串并联来提高系统的储存容量，结合均压电路组成的能量储存系统，可在提高系统的储存容量基础上维持长期稳定的充电状态[9-10]。然而，传统的均压模块由于结构复杂、器件较多，增加系统体积的同时增加了搭建成 本[11-13]，在无线充电系统中难以直接应用。
为解决传统均压模块体积大，充电场景受限的问题，文献[14]提出了基于无线充电系统的电压均衡器，采用独立的多个接收线圈对应各自的电池串来达到电池均衡，与现有的多绕组变压器相比，该系统在节省质量与空间、易于实现和提高安全性方面具有优势。无线充电系统实现的物理隔离特性提供了传统均衡器难以提供的更为广泛的应用场景。基于上述系统，文献[15]提出了一种低成本电压均衡电路驱动电压倍增器，该系统将无线电能传输技术与电压倍增器（Voltage Multiplier, VM）结合，开发了一种串联储能电池的新型电压均衡器。电压倍增器模块具有电压均衡的性能，可将无线充电系统结合均压模块使电池串保持稳定的充电过程。相较于文献[14]，电压倍增器模块的提出显著减少了系统中二极管以及电容的数量，使该系统进一步降低了搭建成本，但电压倍增器模块的均压过程伴随着部分损耗的升高，使得系统整体效率降低以及充电规模有待提高，对此文献[16]提出了一种基于无线充电系统的可扩展单元串充电电压均衡器。采用单发射双接收线圈结构按等比例缩小分析系统的充电状态，采用LCL-S拓扑获得稳定的电压输出，提高了系统稳定性，验证了均衡充电的有效性并且提高了系统频率，并分析了非理想状态下耦合不匹配和频率转移的特性。但这种结构对收发侧的耦合要求较高，实际中由于偏移使各储能单元难以实现理想的均压过程，系统充电可靠性问题亟须解决。
基于上述考虑，本文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。
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
Fig.1 The schematic diagram of the proposed WPT-based VM
在无线充电领域已经提出了多种拓扑结构。如SS、SP、LCC、LCL以及它们的组合等。发射侧采用LCL补偿拓扑具有恒压输出的特性，接收侧采用S型拓扑可减少接收单元额外的电感电容元件投入，因此本实验采用LCL-S作为无线充电模块的拓扑结构。定义LZ、LP和Ln分别为补偿电感、发射与接收线圈的漏感，n为相应的接收线圈。CP和Cn分别为发射线圈与接收线圈的补偿电容。发射线圈与接收线圈通过互感Mn进行磁场耦合以及能量流动，无线充电在该系统起到了物理隔离与电隔离的效果。
本实验为降低实验规模以及加快实验进展，采用超级电容器作为储能单元来模拟无线充电均压实验。4个超级电容器串联连接作为一个串单元提供输出电压Vn，用UCn1～UCn4表示。电压倍增器通过给每个超级电容分配一个过渡电容和两个二极管连接到超级电容。
无线充电部分采用LCL-S拓扑结构，发射端采用LCL拓扑实现稳定的电压输出，接收端采用S型拓扑减少附加设备的使用，进而减少了系统的占地面积，降低了成本。该拓扑为常规高阶拓扑，在灵活调谐和增益调节自由度方面具有优势。电源逆变输出的交流电在接收模块两端输出方波电压作为每个电压倍增器模块的输入。每个接收线圈各自独立，接收线圈之间的耦合忽略不计。
由无线充电系统到电压倍增模块均压前的简化电路如图2所示（此部分主要研究无线充电系统，电压倍增器均衡模块可等效为储能电池元件），以VM1为例，其中LP、L1与LZ是预先确定好的数值，CP与C1为与之对应的谐振电容计算值，VVM1为无线充电系统接收模块输送给VM1的电压值。根据基尔霍夫电压定律，VVM1可表示为
（1）
式中，Uin为常量，在无线传能系统保持静止的情况下（维持耦合系数k1不变），可通过改变电源电压Uin来改变VM的大小。
图2 WPT模块简化分析
Fig.2 WPT module simplified analysis diagram
电压倍增器以无线充电部分接收模块两端作为输入值。通过过渡电容与二极管对输入进行均压并分配给每个超级电容。以单个接收模块与电压倍增器模块为例，接收线圈输出电压在一周期内正半波与负半波输出下电流流向相反导致各自导通的二极管互补，均压系统如图3所示由两种模式组成。
模式1 [nT, nT+T/2
：UC12、UC13、UC14与VM1构成通路。如图3a所示，此时UC11与系统近似为断开连接。VM1中各个支路相对应的电流IC11,1、IC12,1、IC13,1、IC14,1以及总电流IVM1,1可分别表示为
图3 均压模式运行分析
Fig.3 Analysis diagram of voltage equalization mode operation
（2）
式中，rC、rD分别对应单个电容和单个二极管的等效阻抗。
模式2 [nT+T/2, (n+1)T]：此时UC11、UC12、UC13与VM1构成通路。如图3b所示，此时UC14与系统近似为断开连接。VM1中各个支路相对应的电流IC11,2、IC12,2、IC13,2、IC14,2以及总电流IVM1,1可分别表示为
（3）
由如上两种充电模式可知，根据超级电容器的电压数值不同，电压越大，对应于该超级电容器的电流越小；电压越小，对应的电流值越大，单个电容器上的电压电流呈负相关的趋势，两种模式组合下等效电路如图3c所示，各支路电流为
（4）
其中
（5）
式中，req为组合模式下单个超级电容器充电回路中的等效阻抗；rD为预先给定的数值；rC可由给定的电容值以及系统的运行频率计算得出。在均衡过程中的电压压降为
（6）
当VVM1=VUC1m+2Vd时均压结束，此后超级电容器组以近似相同的电压值以及电流继续充电，直至预先设定的阈值，然后开关检测到阈值电压，该组VM断开开关，完成一组充电。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。
为了节约成本，加快实验进程，本文搭建了按等比例缩小的实验模型。无线均压充电系统实验样机如图4所示，耦合线圈俯视图如图5所示，电源由实验室设计的85 kHz频率跟踪交流电源。采用利兹线紧密绕制的发射与接收线圈易于获取且成本低。利兹线使用的同时可降低在高频下线圈的损耗。对于传能线圈的选型，在静态无线充电过程中圆形线圈相较于其他结构在相同的导线长度下具有更加优良的耦合特性，因此收发线圈采用圆形线圈。发射端为一个大的圆形线圈，接收端对应3个近似正三角形顶点位置的圆形小线圈以满足每个独立的接收端获得相同的耦合，从而达到3个电压倍增器模块获得相同的输入量。
图4 无线均压充电系统实验样机
Fig.4 Experimental prototype of wireless voltage equalization charging system
图5 耦合线圈俯视图
Fig.5 Top view of coupling coil
发射与接收线圈背面紧密粘合铁氧体，目的是提高耦合系数和加强非工作区的屏蔽效能，减少不必要的磁场泄露。在发射与接收线圈中间采用10 mm的亚克力板隔开，实现10 mm的传输距离。
实验中，单个超级电容器组的标称电压为40 V，超级电容器的型号为CHP5R5L405R-TWX，电容值为4 F，单个超级电容的最大容许电压值不超过5 V。采用型号为C3M0065090D的开关和SSB43L-E3/52T的肖特基二极管。电压倍增器模块中的过渡电阻为GRJ32ER71C226KE11L。设计的每个电压倍增器模块分别为4个超级电容器供电，该系统可同时为12路电池充电。超级电容器组末端连接12路电压检测模块用来检测12路电池在充电时的电压变化过程。系统参数与尺寸见表1。
表1 实验模型参数
Tab.1 Experimental model parameter
参 数数 值 系统运行频率ƒ/kHz85 发射线圈自感LP/mH29.19 原边补偿自感LZ/mH29.07 VM1中接收线圈的自感L1/mH24.36 VM2中接收线圈的自感L2/mH24.47 VM3中接收线圈的自感L3/mH24.61 原边补偿电容CP/nF120.01 VM1中补偿电容C1/nF144.23 VM2中补偿电容C2/nF144.57 VM3中补偿电容C3/nF144.83 LP的等效电阻rP/mW55.1
（续）
参 数数 值 LZ的等效电阻rZ/mW57.6 L1的等效电阻r1/mW93.1 L2的等效电阻r2/mW92.8 L3的等效电阻r3/mW93.2 过渡电容Cnm/mF10 铁氧体的相对磁导率m3 300 Lp与L1的耦合系数k10.157 3 Lp与L2的耦合系数k20.156 5 Lp与L3的耦合系数k30.158 8 L1与L2的耦合系数k120.018 3 L1与L3的耦合系数k130.019 5 L2与L3的耦合系数k230.018 7 发射线圈匝数NTx7 接收线圈匝数NRx10 发射线圈导线尺寸fTxAWG 14×200 接收线圈导线尺寸fRxAWG 14×200 发射线圈尺寸(外径、内径和厚度)aTx/(mm×mm×mm)180×150×2 接收线圈尺寸(外径、内径和厚度)aRx/(mm×mm×mm)43×20×2.3
图6为正对情况时在不同的12路起始电压下进行均衡充电的电压变化趋势，其中图6a～图6c分别把12个超级电容器的电压值按次序交次排列，按次序每路的差值分别为0.2、0.1、0.1 V，它们的最大起始电压与最小电压的起始值范围分别为1.0～3.2 V、1.0～2.1 V、1.9～3.0 V，它们各自经过99.3 s、51.2 s、55.9 s达到12路电压均衡并持续充电到4.2 V。
图6d中选取与图6a中相同的12路电压起始值随机分配给12个超级电容器，经过113.2 s完成均压，以上四种情况最终都趋于一条直线。验证了均衡模块的有效性。
图7为12个超级电容器组总电压从16～48 V的一次充电中的效率趋势。通过检测12路电压充电状况，可以观测到系统的效率随着电压的升高呈比例的上升。
图6 不同起始电压下超级电容均压充电电压变化趋势
Fig.6 Trend chart of battery voltage equalizing charging voltage under different starting voltages
充电过程中示波器的电压波形如图8所示，通道1、2为电源输出的电压电流波形，通道3、4为VM输入的电压电流波形。通道2波形的畸变是由于LCL高阶拓扑固有的电流谐波，然后通过LC使电流在接收侧被滤掉转换为正弦波，符合LCL-S补偿拓扑特性。
图7 WPT、VM以及整个系统的效率
Fig.7 The efficiencies of the WPT system, voltage multiplier (VM), and the overall system
图8 Vin、Iin、VVM1、IVM1波形
Fig.8 Waveforms of Vin、Iin、VVM1、IVM1
2.2节分析了理想状态下3个电压倍增器模块分别给超级电容器组均压充电的充电曲线以及效率。对于“理想状态”是指各接收线圈通过正三角形位置排列实现参数对称，无线传能模块进行磁耦合谐振，获得3个近似相同的输出作为各自电压倍增模块的输入。但在实际过程中，随着接收端的位置偏移，3个接收线圈与发射线圈的耦合分别发生改变，对应每个电压倍增器模块输入的电压值随之发生改变，系统的充电趋势、充电时间会受到明显的影响，对于此种充电状态在这里称为“非理想状态”。
为了防止VMn耦合过强、VMm耦合过弱（
），造成VMn充电到预想的电压值时，VMm并未达到，最终VMn持续充电超过标称电压值形成过负荷，甚至会导致系统稳定性的破坏，电压倍增器均压模块的崩溃，这是绝对不可取的。因此，对非理想位置下系统充电过程展开研究，设定单个超级电容器的期望电压值为4 V。每块电压倍增器均衡到期望电压时，接收模块后端开关断开，充电完毕。超级电容器具有比能量高、低自放电率和循环性能好的优势，相较于锂电池，其低放电率特性表现出良好的电量保持能力，使其具有更稳定的储能能力。
其中三接收线圈在沿着以图5为规定的xy轴中-y方向移动1 cm、+x方向移动1 cm、-x方向移动1 cm、y=x直线正方向移动1 cm的四种典型偏移下的充电情况分别如图9所示。
由充电曲线图9观测到12路电压最终收敛到4 V，均压性能得以验证。该模块提高了系统充电的可靠性、安全性、选择性，开关与超级电容器容量的选择可根据具体充电规模灵活选取。
图9 非理想位置下超级电容均压充电电压变化趋势
Fig.9 Trend chart of battery equal voltage charging voltage at non-ideal position
系统的性能、复杂度、成本是在工业领域中被持续关注的问题[17]。本文提出的基于无线充电的电压倍增器多模块拓展均压系统旨在降低系统的复杂度以及成本，可实现在较高电压等级下对电池的灵活充电。比较现存的均压系统，它们的能量流动方式主要分为四种：电池单元对电池单元（Cell-to-Cell, DC2C）、电池单元对电池组（Cell-to-Pack, C2P）、任意电池对任意电池（Any-Cells-to-Any-Cells, AC2AC）、电源对多电池（Source-to-Cells, S2C）。其中，DC2C结构可以直接从两个任意的电池中进行能量传输，C2P结构可以把高压电池中的能量传输到电池串，AC2AC结构可同时从高压电池到低压电池来进行能量传输，S2C结构的能量传输则是从电源输入到低压电池来进行充电[18]。
不同均衡器在系统性能上的不同可体现在能量流动、均压性能、控制简易度、模块化和电隔离。能量流动方式主要为上段中提及的四种，均压性能表示为实现所有电池均压的电压收敛能力，控制简易度体现为在平衡过程是否需要控制以及需要控制的器件复杂度，模块化反映了扩充模块规模所需的额外组件数量，电隔离则体现了均压系统对于复杂应用场景的可应用性，因此也可作为系统性能的体现参数[19-20]。
不同均衡器成本可体现在各系统在同一基准下采用的开关、电感、电容等元件的价格。均衡器系统成本=nSpS+nLpL+nCpC+nDpD+nTpT+nWpW，其中nS、nL、nC、nD、nT、nW分别为各均衡器系统中开关、电感、电容、二极管、变压器以及无线电能传输系统的个数，pS、pL、pC、pD、pT、pW分别为开关、电感、电容、二极管、变压器以及无线电能传输系统的单体成本。开关管被分为电压大于等于10 V和电压小于10 V两类，其单体成本分别为29.2元和14.6元，电容器单体成本为1.4元，电感单体成本为2.1元，二极管单体成本为7.3元，变压器单体成本为36.5元，而无线能量传输线圈的单体成本为73.1元。本文以各均衡器对相同型号的12个低压电池充电为标准，电压限值在5 V。比较不同均衡器对12个电池充电在系统性能及成本见表2，表中，excellent(E)，good(G)，satisfactory(S)，moderate(M)依次表示系统各性能的优劣程度。
表2 不同均衡器在系统性能及成本上的比较
Tab.2 Comparison of system performance and cost of different equalizers
文献开关电感电容二极管变压器WPT能量流动均压性能控制简易度模块度电隔离效率(%)成本/元 [10]2812210DC2CMMGS90.1873.9 [11]3013010DC2CMMGS92.0919.2 [12]240242460C2PSSGG92.01 130.2 [13]47012000AC2ACGGGM91.91 390.1 [14]3031230S2CGGMG92.0289.13 [15]87282400S2CGGGM92.0465.8 [16]11272401S2CGGME71.2319 本文31162401S2CGGGE76.8332.2
通过表2可看出，新的均压结构牺牲了部分效率，但均压性能、控制简易度、模块度都有了较好的改善，采用无线充电系统作为高频输入使得电隔离特性较以往有了明显的提高，该系统可应用于更为广泛的以往均压系统难以进行充电的工作场景之中，系统的成本大大降低，主要体现在开关元件的减少。在新均压系统中每个电池只需要两个二极管和一个电容器来实现电池串的均压充电，降低了系统的复杂度以及搭建成本。相较于基于无线电能传输技术的同类型均压系统[16]，虽然该系统的成本略微上升，但是效率得到提升。
本文研究并提出了基于无线传能系统供电的电压倍增器多模块拓展电压均衡系统，系统充电曲线验证了理想状态与非理想状态下充电均压的有效性，在采用较少的元件下实现了灵活的均压过程，不需要额外的控制元件。用无线传能模块来替代3个电压倍增器各自的交流输入，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，可应用于无人值守的复杂场景之中，拓展了电池充电的应用场景，系统充电的整体效率在3个超级电容器总电压值为48 V时达到76.87%。通过研究非理想充电位置下的电压倍增器模块充电过程，各储能单元最终收敛到了预设的目标电压值。阈值电压的设置解决了非理想充电位置下各电压倍增器均压模块充电速度不一致导致系统的稳定性问题，使得系统更可靠地充电。该系统可拓展到诸多充电场景之中，如机器人、无人机等。
参考文献
[1] 杨庆新, 张献, 章鹏程. 电动车智慧无线电能传输云网[J]. 电工技术学报, 2023, 38(1): 1-12.
Yang Qingxin, Zhang Xian, Zhang Pengcheng. Smart radio energy transmission cloud network for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(1): 1-12.
[2] 薛明, 杨庆新, 章鹏程, 等. 无线电能传输技术应用研究现状与关键问题[J]. 电工技术学报, 2021, 36(8): 1547-1568.
Xue Ming, Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, et al. Current status and key issues in the application of radio energy transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1547- 1568.
[3] 吴理豪, 张波. 电动汽车静态无线充电技术研究综述(下篇)[J]. 电工技术学报, 2020, 35(8): 1662-1678.
Wu Lihao, Zhang Bo. Summary of research on static wireless charging technology for electric vehicles (part 2) [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1662-1678.
[4] 吴理豪, 张波. 电动汽车静态无线充电技术研究综述(上篇)[J]. 电工技术学报, 2020, 35(6): 1153- 1165.
Wu Lihao, Zhang Bo. Summary of research on static wireless charging technology for electric vehicles (part 1) [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1153-1165.
[5] Lü Nawei, Jin Yang, Xiong Rui, et al. Real-time overcharge warning and early thermal runaway prediction of li-ion battery by online impedance measurement[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(2): 1929-1936.
[6] Gao Wei, Li Xiaoyu, Ma Mina, et al. Case study of an electric vehicle battery thermal runaway and online internal short-circuit detection[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(3): 2452-2455.
[7] 聂江霖, 杨江朋, 蔡春健, 等. 基于多端口变压器的串联锂电池均压电路[J]. 电工技术学报, 2021, 36(20): 4274-4284.
Nie Jianglin, Yang Jiangpeng, Cai Chunjian, et al. Series lithium battery voltage equalization circuit based on multi-port transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4274- 4284.
[8] Schmid F, Taube L, Rieck J, et al. Behrendt, Elec- trification of waste collection vehicles: techno- economic analysis based on an energy demand simulation using real-life operational data[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021, 7(3): 604-615.
[9] Moniot M, Ge Y, Wood E. Estimating fast charging infrastructure requirements to fully electrify ride- hailing fleets across the united states[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(2): 2177-2190.
[10] Wei Zhengqi, Peng Faxiang, Wang Haoyu. An LCC- based string-to-cell battery equalizer with simplified constant current control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 7(2): 1816-1827.
[11] Wei Zhengqi, Wang Haoyu, Lu Yiqing, et al. Bidirectional constant current string-to-cell battery equalizer based on L2C3 resonant topology[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(1): 666-677.
[12] Zou Runmin, Liu Fulin, Liu Yonglu, et al. An LLC- based battery equalizer with inherent current limitation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 37(2): 1828-1840.
[13] Zhou Guanghua, Zhang Xiaobing, Gao Kai, et al. Two-mode active balancing circuit based on switched-capacitor and three-resonant-state LC units for series-connected cell strings[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2022, 69(5): 4845-4858.
[14] Xu Bin, Yan Zhaotian, Xiong Liang, et al. A double-switch single-transformer integrated equalizer for the recycled power battery string of automatic guided vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(3): 2596-2606.
[15] Uno M, Cheng D, Onodera S, et al. Bidirectional Buck-Boost converter using cascaded energy storage modules based on cell voltage equalizers[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2023, 38(1): 1249-1261.
[16] Fu Minfan, Zhao Chen, Song Jibin, et al. A low-cost voltage equalizer based on wireless power transfer and a voltage multiplier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(7): 5487-5496.
[17] Liu Ming, Fu Minfan, Wang Yong, et al. Battery cell equalization via megahertz multiple-receiver wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(5): 4135-4144.
[18] 冯飞, 宋凯, 逯仁贵, 等. 磷酸铁锂电池组均衡控制策略及荷电状态估计算法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(1): 22-29.
Feng Fei, Song Kai, Lu Rengui, et al. Balance control strategy and state of charge estimation algorithm for lithium iron phosphate battery packs [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(1): 22-29.
[19] 冯高辉, 赵争鸣, 袁立强. 基于能量平衡的电能路由器综合控制技术[J]. 电工技术学报, 2017, 32(14): 34-44.
Feng Gaohui, Zhao Zhengming, Yuan Liqiang. Integrated control technology of electric energy routers based on energy balance[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 34-44.
[20] 肖迁, 焦志鹏, 穆云飞, 等. 基于LightGBM的电动汽车行驶工况下电池剩余使用寿命预测[J]. 电工技术学报, 2021, 36 (24): 5176-5185.
Xiao Qian, Jiao Zhipeng, Mu Yunfei, et al. Prediction of the remaining service life of electric vehicle batteries under driving conditions based on LightGBM[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5176-5185.
Modular Extensible Voltage Equalization Based on Wireless Charging System
Abstract Wireless power transfer technology with the characteristic of physical isolation solves the power supply problem in situations where wires are inconvenient, making power delivery more flexible. It is commonly used in complex unmanned scenarios, such as drones, autonomous vehicles, and remote control devices. These scenarios have high requirements for the reliability of energy storage systems. The inconsistent initial voltages or charging currents caused by inherent parameter errors in the charging module of the energy storage system result in uneven charging voltages among multiple battery cells, leading to excessive current stress on battery devices. Excessive current stress disrupts system stability and even causes system failure. As a result, the battery’s operational lifespan is reduced, and the system’s safety is compromised.
Traditional voltage-balanced modules have the disadvantages of complex structure, large volume, and high cost. This paper proposes a modular and scalable voltage multipliers constant system based on wireless power transfer technology. The voltage multiplier significantly decreases the number of diodes and capacitors in the system, reducing the construction cost. In the design of the wireless power transfer module, the transmitting coil side adopts the LCL-S compensation topology with constant voltage output characteristics, and the receiving coil side adopts the S-type topology to reduce the additional inductance and capacitance elements of the receiving unit. The voltage multiplier takes the two ends of the input from the receiving module in the wireless charging part. Taking a single receiving module and a voltage multiplier module as an example, the current flows in opposite directions during the positive and negative half-waves of the output voltage of the receiving coil, which complements the conducting diodes. The input is equilibrated by transition capacitors and diodes and distributed to each supercapacitor.
This paper establishes an experimental model scaled down in equal proportions. The effectiveness of ideal and non-ideal charging constant voltage is verified through the system’s charging curve, and a flexible constant voltage process is achieved using fewer components without additional control elements. By replacing the AC inputs of the three voltage multipliers with wireless power transfer modules, additional devices are reduced. The physical isolation characteristic of wireless power transfer technology is utilized to solve the inconvenience of wired charging, improving the reliability of the energy storage system and expanding the application scenarios for battery charging. The system’s overall charging efficiency reaches 76.87% when the total voltage of the three supercapacitors is 48 V. Each energy storage unit ultimately converges to the target voltage value set under non-ideal charging positions. Setting of a threshold voltage solves the problem of inconsistent charging speeds of voltage multiplier constant voltage modules under non-ideal charging positions, enabling the system to charge more reliably. This system can be expanded to various charging scenarios, such as robots and drones.
Keywords：Voltage multiplier, wireless charging, voltage balance, physical isolation
中图分类号：TM724
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231558
国家自然科学基金面上项目（52077153）和河北省高等学校科学技术研究项目（QN2021043）资助。
收稿日期 2023-09-20
改稿日期 2023-10-22
刘 祺 男，1999年生，硕士研究生，主要研究方向为无线电能传输技术。
E-mail: liuqitgu@163.com
薛 明 男，1987年生，博士，高级实验师，主要研究方向为静、动态无线电能传输技术。
E-mail: 2023064@hebut.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）