低压无线充电串联 - 串联谐振感应电能传输系统的拓扑诱发故障分析与保护

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Topology-Induced Fault Analysis and Protection of Series-Series Resonant Inductive Power Transfer Systems for Low-Voltage Wireless Charging

　　

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  对SS谐振式感应电力传输（IPT）系统中拓扑引起的故障进行系统分析。
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  揭示导致过流和空载过压的机制。
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  提出无需修改SS补偿网络的模拟保护方案。
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  通过快速故障检测与缓解提升系统可靠性。
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  在100 W无线充电原型上进行了实验验证。

章节摘要

引言

谐振式感应电力传输（RIPT）已成为在中小气隙距离下实现高效无线电力传输（WPT）的最有前景的技术之一。凭借其高效率、电气隔离特性以及易于集成的优势，RIPT已在消费电子、无人驾驶飞行器（UAV）充电、生物医学植入设备、工业自动化以及电动汽车（EV）充电系统等领域得到广泛应用[[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]]。一种典型的

SS-RIPT系统中拓扑引起的故障机制

图1展示了本研究所采用的传统串联-串联谐振感应式电力传输（SS-RIPT）系统，图2则给出了其等效电路。在等效电路中，$L_P$和$L_S$分别表示发射端线圈和接收端线圈的自感，而$C_P$和$C_S$则代表相应的串联补偿电容器。发射端线圈和接收端线圈的寄生绕组电阻分别用$R_P$和$R_S$表示。两个谐振

系统描述与案例分析

为了通过实验验证所提出的保护策略，本研究采用了此前专为无人驾驶飞行器（UAV）电池无线充电而开发的实验室级SS-RIPT原型。该系统设计为低压、低功率运行模式，可作为消费电子、服务机器人及UAV充电应用的代表性平台。发射端谐振槽调谐至约85 kHz，而接收端谐振槽则调谐至

所提出的保护框架

第2节中的解析研究表明，SS-RIPT拓扑主要易受两种拓扑引起的故障机制影响，即由于磁耦合退化导致的主边谐振电流过大，以及由于空载运行导致的接收端电压过高。尽管零电压开关（ZVS）调谐显著缓解了这两种现象，但无法保证谐振电流和接收端电压始终保持在安全运行范围内。

仿真与硬件结果

本节展示了所提出保护框架的仿真和实验验证结果。

结论

本文对面向低压无线充电应用的串联-串联谐振感应式电力传输（SS-RIPT）系统中拓扑引起的故障机制进行了系统研究。通过解析建模，证明了SS补偿拓扑固有的恒流特性会产生两种主要的异常工作状态，即在严重耦合退化下主边谐振电流过大，以及

未引用的参考文献

[14]

CRediT作者贡献声明

Kunwar Aditya：撰写——原稿、资源、项目管理、方法、调查、概念化。Avishek Munsi：撰写——审阅与编辑、验证、数据整理。

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