项目名称:宽范围高功率密度智能无线充电系统
- 浙江大学
- 浙江省杭州市西湖区浙江大学玉泉校区
- 310063
- 刘银超
- 15939521886
姓名 |
钟文兴 |
电话 |
18368019584 |
电子邮件 |
wxzhong@zju.edu.cn |
区号 |
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邮编 |
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通信地址 |
浙江省杭州市西湖区浙江大学玉泉校区教九124 |
专利类型 |
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专利状态 |
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申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
17/535588 |
2022-08-09 |
US11411436B2 |
CN201910452132.0 |
2020-10-02 |
ZL201910452132.0 |
CN201910978600.8 |
2021-10-29 |
ZL201910978600.8 |
CN202010641949.5 |
2022-02-08 |
ZL202010641949.5 |
CN202010636478.9 |
2022-02-08 |
ZL202010636478.9 |
CN202011392921.9 |
2022-05-27 |
ZL202011392921.9 |
CN202011099122.2 |
2022-10-04 |
ZL202011099122.2 |
CN202011099117.1 |
2022-04-05 |
ZL202011099117.1 |
CN202010739903.7 |
2022-04-05 |
ZL202010739903.7 |
为了助力各类智能行驶设备在智能制造、智慧物流、智慧城市、智慧运维等领域的全自动化运行,本项目研发了宽范围高功率密度智能无线充电系统。具体应用包括电动汽车、物流机器人、巡检机器人、无人机、电动叉车、AGV等电动化设备的无线充电。本项目所研发无线充电系统有以下三个优点:
1、 宽范围的高效充电能力
宽范围包括宽偏移范围和宽负载范围。宽偏移范围是指电动汽车或机器人停靠时无法实现高精度的定位,造成无线充电系统的接收端与发射端有较大的位置偏移。本项目产品可在不增加系统硬件体积和不牺牲系统效率的前提下实现宽偏移范围的正常充电。宽负载范围是指宽的充电电压和充电电流范围。通过结合耦合器优化与最高效率跟踪技术,项目产品可在较宽充电电压和电流下自适应工作,且保持较高的充电效率。
2、 高功率密度
得益于项目所提出的全范围软开关技术和最高效率跟踪技术,项目产品可实现宽范围的高效工作,从而极大地降低了系统的损耗发热,使系统具备了高功率密度的素质。另外,项目所提出的高阶耦合谐振技术,使系统在宽范围下所需的伏安容量减小,有助进一步降低线圈和电路的体积。最后,在空间结构和散热路径上对线圈和电路进行了优化整合,设计了体积小,重量轻的一体式接收端,使产品可应用于对接收端体积和重量要求极高的无人机和小型AGV上。
3、 高稳定性和安全性
电磁干扰是影响系统稳定运行的重要问题。为降低系统的电磁干扰,提高系统的稳定性,项目提出了全范围软开关技术。软开关对电力电子变换器而言是提高效率和降低电磁干扰的核心技术之一。此外,针对具体应用场景,项目开发了一系列智能运行和保护技术,完全实现了“即停即充”“即走即停”的无人化充电。
1、全范围软开关技术
无线充电系统的一个核心部件是逆变器,负责将直流变换为80千赫兹到200千赫兹的高频交流。逆变器的运行依赖功率开关的高频切换,带来电路中电压与电流的快速变化,从而产生频率极高的干扰信号,对系统控制和通讯的稳定性有严重影响。软开关技术是减少这些干扰的主要手段。但是无线充电系统每次充电的接收器位置不一样,且充电中负载状态也一直变化。如何在不增加额外硬件的前提下,在所有位置范围以及所有充电状态都实现软开关,是现在技术未能解决的难题。项目提出了脉冲密度调制与频率调制结合的控制方案,实现了全位置范围和全负载范围的软开关,使系统保持了简洁高效的拓扑结构的同时极大地降低了电磁干扰水平。
2、高阶耦合谐振技术
无线充电系统谐振耦合部分的阻抗特性随接收端的位置而改变。比如在强耦合位置,输入阻抗大,逆变需要提供高电压低电流;但在弱耦合位置,输入阻抗小,逆变需要提供低电压高电流。因此,在全位置范围,传统技术下的无线充电系统需要具备高电压、高电流输出,其伏安容量远大于充电功率。比如充电功率3.3千瓦的系统,其发射端往往需要按10千瓦设计,这无疑极大地增加了系统的制造成本。项目提出了高阶耦合谐振技术,使系统的输入阻抗在全位置范围和全负载范围内保持较高的稳定性,从而大幅减少了原边设备伏安容量的需求。另外,稳定的输入阻抗也有利于提高系统在宽位置范围运行的稳定性。
3、全范围的高效率运行技术
无线充电系统是一个特殊的电力电子变换系统,其能量传输效率受接收器位置(正对、偏移)和充电情况(满载、轻载、恒流、恒压)的影响。在所有位置范围和负载范围下实现高效率的技术是壁垒之一。项目负责人是世界上首位提出无线充电系统“最高效率跟踪技术”的学者,技术成果曾获IEEE电力电子期刊优秀论文一等奖。应用此技术,系统可以一直工作在理论最高效率点,而不受接收端位置和充电状态的影响。
4、无线充电系统的智能运行和保护技术
为实现无线充电系统的“即停即充”和“即走即停”功能,项目开发了无线充电系统的智能运行和保护技术,包括发射端的低功耗待机、接收端进入后的自供电(不需要电池供电)、与发射端握手确定通讯频道、位置判断、接收端离开时的发射端快速切断、断载保护等等。
本项目与宁波道充科技有限公司合作,开展大功率智能无线充电系统的开发及产业化。公司于2021年完成近千万元天使轮融资,建立了20余人的研发团队。目前已经完成100W~20kW功率范围的系列产品的开发,并且为数家国内机器人头部企业(亿嘉和、国自等)提供小批量产品。具体包括:轻型机器人用中功率接收集成式无线充电产品,无人机用高功率密度无线充电产品,以及重型机器人用大功率大偏移无线充电产品。已在消防机器人、交通巡检、廊道巡检、电动(无人)车辆、无人机等领域应用推广,使智能移动设备实现了无人安全充电,大幅提高了运行效率。近两年新增销售收入1000余万。