CN103746462A - 一种用于无线电能传输的双边lcc补偿网络及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络及其调谐方法，属于无线电能传输技术领域。一个发射电路，包括一个发射线圈103，一个一端同发射线圈103相连，另一端同补偿电感相连的第一电容C1，另一个并联于发射线圈103两端的电容C_f1，并且第一电容C₁和补偿电感串联接在一个电压源和发射线圈之间；一个接收电路，包括一个接收线圈104，一个一端同接收线圈104相连，另一端同补偿电感相连的第二电容C₂，另一个并联于接收线圈104两端的电容C_f2，并且第二电容C₂和补偿电感串联接在电池和发射线圈之间。

Description

一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络及其调谐方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统，特别涉及一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络及其调谐方法。

背景技术

共振式无线电能传输概念，由特斯拉于100多年前提出。随着近年来电力电子技术的不断发展，无线充电装置其成本不断降低，充电效率已和接触式充电相当。由于无线充电其便捷性和安全性，相关市场正在迅猛发展。低功率的无线充电设备，已经开始在移动便携设备，植入式医疗器械等领域推广，该领域电能传输功率根据具体应用从几毫瓦到几十瓦不等。在大功率无线充电，电能传输功率可达千瓦级别，由于其技术难度更高，发展较晚，目前美国仅有少数几家公司推出相关样机。

大功率无线充电，目前一个主要应用为给电动汽车的车载电池充电。由于电动汽车动力电池的技术瓶颈，电动汽车存在续航里程短，成本高昂等短期内无法解决的问题，这将严重限制未来电动汽车的销量。表面上来看，电动汽车销量不佳，给电动汽车配套的无线充电装置必然没有销路。然而，当我们换一个思路来考虑问题，如果无线充电不是给电动汽车进行配套，而是作为基础设施建设，来带动电动汽车的市场呢？利用无线充电技术，我们可在道路下面铺设发射线圈，实现电动汽车边跑边充电，这将彻底解决电动汽车的电池瓶颈问题。

无线电能传输，目前主流的方法是将能量通过一对存在耦合的线圈进行传递。由于线圈之间存在较大间隙，发射线圈和接收线圈之间为松散耦合，其耦合系数小，漏感很大。为了提高传输效率，并降低电力电子变换器的容量，通常使用增加电容来抵消线圈漏感的方式，并让增加电容后的接收线圈和发射线圈系统工作在共振状态下。然而，已有的电容补偿方式，在应用于大功率无线电能传输时，存在以下几个瓶颈中：第一是传输功率的不大，第二是传输效率较低，第三是谐振频率点随工作状态不停变化造成系统控制复杂。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于双边LCC补偿网络的无线电能传输系统及其方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，包括：

一个发射电路，包括一个发射线圈（103），一个一端同发射线圈（103）相连，另一端同补偿电感相连的第一电容C₁，另一个并联于发射线圈（103）两端的电容C_f1，并且第一电容C₁和补偿电感串联接在一个电压源和发射线圈之间；

一个接收电路，包括一个接收线圈（104），一个一端同接收线圈（104）相连，另一端同补偿电感相连的第二电容C₂，另一个并联于接收线圈（104）两端的电容C_f2，并且第二电容C₂和补偿电感串联接在电池和发射线圈之间。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，优选的，还包括：

直流到交流变换器（102）和整流滤波装置（105）；

输入的交流电源连接所述电压源，所述电压源连接直流到交流变换器（102），所述直流到交流变换器（102）连接发射线圈（103），发射线圈（103）向接收线圈（104）无线传输能量；

接收线圈（104）连接所述整流滤波装置（105），所述整流滤波装置（105）连接负载，其中所述发射线圈（103）和接收线圈（104）各自分别连接LCC补偿网络电路。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，优选的，所述LCC补偿网络电路包括：发射端LCC补偿网络电路和接收端LCC补偿网络电路，所述发射端LCC补偿网络电路一端连接直流到交流变换器（102），所述发射端LCC补偿网络电路另一端连接发射线圈（103）；所述接收端LCC补偿网络电路一端连接接收线圈（104），所述接收端LCC补偿网络电路另一端连接整流滤波装置（105）。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，优选的，所述整流滤波装置（105）包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、滤波电容和滤波电感；

所述第一二极管正极连接第三二极管正极，所述第一二极管负极分别连接第二二极管正极和第二电感一端，所述第二二极管负极连接第四二极管负极，所述第四二极管负极还分别连接滤波电容一端和负载，所述滤波电容另一端分别连接第三二极管正极和滤波电感一端，所述滤波电感另一端连接负载。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，优选的，所述发射线圈（103）和接收线圈（104）分割为m段进行串联，所述m为正整数。

本发明还公开一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤1，接收线圈(104)靠近发射线圈(103)，由发射线圈向接收线圈无线传输能量；

步骤2，直流到交流变换器（102）输出频率为ω₀的高频交流电流，设定发射端LCC补偿网络电路的第一补偿电感参数供给发射线圈（103），设定接收端LCC补偿网络电路的第二补偿电感；

步骤3，功率调节通过可调压直流电源（101）实现，提高所述可调压直流电源（101）输出电压，传输功率增加；降低所述可调压直流电源（101）输出电压，传输功率减小。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，优选的，所述步骤2包括：

步骤2-1，设定ω₀的输出工作频率

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_{f1}\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{f2}\·C_{f2}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_1})\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_2-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_2})\·C_{f2}}};$

步骤2-2，根据设定的ω₀得到无线电能传输系统参数

$L_{f1}\·C_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},$

$L_{f2}\·C_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},$

$L_1{-L}_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_1},$

$L_2{-L}_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_2},$

其中，L_f1为第一电感，C_f1为第一电容，L_f2为第二电感，C_f2第二电容，L₁为发射线圈，C₁为第一补偿电容，L₂为接收线圈，C₂为第二补偿电容。

步骤2-3，设定 $L_{f1}\·L_{f2}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{k{U}_i{U}_o}{{\mathrm{\ω}}_{0}P}\·L_1\·L_2;$ 和L_f1/L_f2＝L₁/L₂，

其中，k为发射线圈L₁和接收线圈L₂之间的耦合系数，U_i为直流到交流变换器的输入电压，U_o为经过整流滤波后的输出电压，P为无线系统的传输功率，发射端LCC补偿网络电路第一电感L_f1，接收端LCC补偿网络电路第二电感L_f2；

步骤2-4，输出功率通过控制输入电压U₁或输出电压U₂来调节，或者任何等效的改变U₁和U₂的方法来调节输出功率，

$P=\frac{\sqrt{L_1\·L_2}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{f1}\·L_{f2}}\·k\·U_1\·U_2;$

步骤2-5，若L_f1和L₁之间的耦合电感为M₁，L_f2和L₂之间的耦合电感为M₂，则L_f1和L_f2集成后的输出功率为，

$P^{\′}=\frac{\sqrt{(L_1+M_1)\·(L_2+M_2)}}{{\mathrm{\ω}}_0(L_{f1}+M_1)\·(L_{f2}+M_2)}\·k\·U_1\·U_2;$

步骤2-6，发射线圈的最大电位差ΔU_{L1_max}和接收线圈的最大电位差ΔU_{L2_max}分别为

$\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}$ $\mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}}.$

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，优选的，所述步骤2-2包括：

步骤2-2-1，为了降低无线电能传输系统对参数误差的敏感度，使用如下公式

$\frac{L_{f1}}{L_1}=\frac{L_{f2}}{L_2}=\stackrel{\‾}{k}$

$\frac{L_1}{L_2}={\left(\frac{U_i}{U_o}\right)}^2$

其中

为正常能量传递状态下，发射线圈和接收线圈之间耦合系数的平均值。

所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，优选的，还包括：

步骤2-2-2，使用分布式补偿电容，发射线圈的最大电位差ΔU_{L1_max}和接收线圈的最大电位差ΔU_{L2_max}由如下公式

$\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{1}{m_1}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}$

$\mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{1}{m_2}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}},$

其中，m₁为发射线圈L₁所分的段数，m₂为接收线圈L₂所分的段数，m为正整数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.适用于大功率无线电能传输，并且也可用于中小功率的无线电能传输；

2.系统的谐振频率同线圈相对位置、负载情况无关，大大简化了控制复杂度；

3.直流到高频交流变换器的功率器件工作在软开关状态，开关损耗小，大大提高系统传输效率；

4.分布式补偿电容的设计，可降低系统最大电位差，从而降低线圈耐压等级和成本，电容耐压等级和成本，以及辅助支撑结构的绝缘成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络结构图；

图2是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络可变直流电压源到负载之间系统的等效电路模型；

图3是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络使用集中式线圈和补偿电容的电路模型；

图4是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络使用分布式线圈和补偿电容的电路模型；

图5是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络的具体实施方式示意图；

图6是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络充电效率示意图；

图7是本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络充电效率示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种基于双边LCC补偿网络的无线电能传输系统，传输系统模块包括：工频交流输入到可调压直流电源101、直流到交流变换器102、发射线圈103、接收线圈104、整流滤波装置105。该电路其使用固定频率的高频交流电给发射线圈系统供电，通过和发射线圈相匹配的接收线圈系统来实现能量的无线传输，通过改变前级直流电源的电压来控制传输功率。

本发明系统用于电能的无线传输技术。其系统组成主要包括：一个可调压直流电源P1，一个直流到高频定频率交流的变换器P2，一个由电感L_f1、电容C_f1和C1组成的LCC补偿网络N1，一个发射线圈L₁，一个接收线圈L₂，一个由电感L_f2、电容C_f2和C₂组成的LCC补偿网络N₂，以及接收端整流滤波装置P3组成。当接收线圈L₂在发射线圈L₁附近时，发射线圈L₁和接收线圈L2之间存在互感M，此时，通过变换器P2给发射线圈L₁通入一个高频交流电流，则接收线圈L₂即可通过感应方式产生一个输出电压。由于在无线电能传输应用中，发射线圈L₁和接收线圈L₂之间距离较大，其互感M小，漏感大，本发明通过在发射和接收端同时增加LCC补偿网络，来抵消线圈漏感上的电压降落，从而使得系统无效功率大大降低，电能传输效率提高。使用本发明所提出的LCC补偿网络，发射线圈和接收线圈系统其谐振频率为一个固定值，与线圈相对位置、输出功率大小无关，这极大的简化了无线传输系统的控制复杂度。

本发明还给出了根据输入输出电压以及所需传输功率进行线圈以及补偿网络中的电感和电容参数的设计方法。另外，还给出了如何调节补偿网络的参数，使得功率器件工作在软开关状态，以降低开关损耗，提高系统效率。

在所述的发射线圈和接收线圈系统中，均包括由一个电感和两个电容所组成的LCC补偿网络。

发射线圈和接收线圈可分为几个部分串联，并且LCC补偿网络中的C1和C2，也分为几个电容串联于发射线圈和接收线圈的几个部分之间，形成分布式电容C1和C2，以降低系统中存在的最大电位差。

在大功率应用中，发射线圈L1和接收线圈L2上的电压会达到几千伏甚至几十千伏，这对系统的绝缘性能是一个极大的考验。本发明提出了通过多个分布的小电容来逐段抵消发射和接收线圈上的电压，使得系统的最大电位差大大降低。从而使用通常的耐压等级器件，以及绝缘材料即可满足分布式电容方式下的绝缘等级要求，可大幅降低系统成本。

工频交流输入到可变电压输出的电源，具体包括：无源功率因数校正电路，降压电路；或有源功率因数校正升压电路，降压电路。

直流到交流变换器，具体包括：可控开关器件，可控开关器件的驱动电路，相关辅助器件。

整流滤波装置，具体包括：二极管整流桥和滤波电容；或主动开关器件组成的同步整流电路和滤波电容。

本发明还公开一种用于双边LCC补偿网络的无线电能传输方法，工作参数依据以下公式进行匹配，其中ω₀为系统的工作频率，也即直流到交流变换器的输出电压频率：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_{f1}\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{f2}\·C_{f2}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_1})\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_2-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_2})\·C_{f2}}}$

补偿电感的参数依据以下公式进行设计，其中k为发射线圈L₁和接收线圈L₂之间的耦合系数，U_i为直流到交流变换器的输入电压，U_o为经过整流滤波后的输出电压，P为无线系统的传输功率，发射端LCC补偿网络电路第一电感L_f1，接收端LCC补偿网络电路第二电感L_f2：

$L_{f1}\·L_{f2}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{k{U}_i{U}_o}{{\mathrm{\ω}}_{0}P}\·L_1\·L_2;$ 和L_f1/L_f2＝L₁/L₂；

调谐系统使得原边开关实现零电压开通关断的方法。前述的方法可使系统调节至谐振模式。在该模式下，开关管工作在零电流开通和关断。这是一种软开关形式，在零电流开关条件下，储存在寄生电容上的能量在每次的开关过程中将损失掉。有必要将补偿网络调谐到感性区域以实现零电压开关。有几种方法来调谐系统到感性区域：通过调节由上述ω₀的参数和补偿电感的参数，来实现直流到交流变换器中功率器件的零电压开通和关断，以减小开关损耗提供系统效率。其实现可选则以下一种或几种参数调节方式的结合：

增加电容C2的值；

减小电容C1的值；

增加电感L1的值；

减小电感L2的值。

以上几种方法可以单独使用其中一种，也可结合使用多种。所有的调谐工作都可在设计阶段完成。如果在设计阶段考虑到合理的容差，则在加工制造阶段无需进行进一步的调谐工作。

整流滤波装置(105)之前或者之后，可选择增加一可调升压或降压电路，增加该电路后，接收端接收功率可在发射端直流输入电压不变的情况下进行调节。在多线圈接收系统中，可实现各个接收端的功率单独调节。

输出功率可用如下公式求得。尽管谐振频率不随耦合系数变化，但输出功率正比于耦合系数。输出功率可通过控制输入电压U₁或输出电压U₂来调节。或者任何等效的改变U₁和U₂的方法来调节输出功率。

$P=\frac{\sqrt{L_1\·L_2}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{f1}\·L_{f2}}\·k\·U_1\·U_2$

L_f1和L_f2的集成。L_f1和L_f2可以同L₁和L₂分别耦合在一起。这样，L_f1和L_f2就能够和主线圈共用铁氧体和空间，同时减少L_f1和L_f2所用的铜线线径。若L_f1和L₁之间的耦合电感为M₁，L_f2和L₂之间的耦合电感为M₂，则L_f1和L_f2集成后的输出功率为：

$P^{\′}=\frac{\sqrt{(L_1+M_1)\·(L_2+M_2)}}{{\mathrm{\ω}}_0(L_{f1}+M_1)\·(L_{f2}+M_2)}\·k\·U_1\·U_2$

针对大功率无线电能传输技术的几个瓶颈，本发明所提出的系统适用于大功率无线电能传输，同时也适用于中小功率的应用。依据本发明内容，可使无线电能传输的接收和发射线圈系统工作在恒定的谐振频率，并且此频率同线圈相对位置、输出功率大小无关，系统的输出功率由可调压直流电源的输出电压来控制，这极大的简化了无线传输系统的控制复杂度。本发明还给出了如何调节补偿网络的参数，使得功率器件工作在零电压开通和关断的软开关状态，以降低开关损耗，提高能量传输效率。

本发明所提出的一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其系统结构图如附图1所示。系统的输入为电网交流电，经过一个可调压直流电压源P₁，将交流电变为直流电。进一步使该直流电通过直流到高频交流的变换器P₂，得到高频交流电，给发射线圈系统供电。该发射线圈系统包含一个LCC补偿网络N₁以及发射线圈L₁。接收端线圈系统通过电磁耦合从发射线圈L₁得到能量，再通过整流滤波装置P₃得到直流电供给相应负载。该接收线圈系统包含一个LCC补偿网络N₂以及发射线圈L₂。

任何一种技术所实现的可调压直流电源P₁，直流到交流变换器P₂，整流滤波装置P₃均可应用于本发明中。并且本发明在特定情况下，也可使用固定输出电压的直流电压源P₁。

附图2中给出了直流到交流变换器P₂主电路，发射端LCC补偿网络N₁，发射线圈L₁，接收线圈L₂，接收端LCC补偿网络N₂，以及整流滤波装置P₃主电路的一种具体实施电路。若我们设计系统工作的谐振频率为ω₀，则根据公式

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_{f1}\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{f2}\·C_{f2}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_1})\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_2-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_2})\·C_{f2}}},$

我们得到无线电能传输系统参数设计应符合以下公式（1）：

$\begin{array}{c}{L}_{f1}\·C_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},\\ L_{f2}\·C_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},\\ L_1{-L}_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_1},\\ L_2-L_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_2},\end{array}---\left(1\right)$

为了降低无线电能传输系统对参数误差的敏感度，我们可增加以下关系：

$\begin{array}{c}\frac{L_{f1}}{L_1}=\frac{L_{f2}}{L_2}=\stackrel{\‾}{k}\\ \frac{L_1}{L_2}={\left(\frac{U_i}{U_o}\right)}^2\end{array}---\left(2\right)$

其中为正常能量传递状态下，发射线圈和接收线圈之间耦合系数的平均值。通过公式(1)和(2)，并结合公式 $L_{f1}\·L_{f2}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{k{U}_i{U}_o}{{\mathrm{\ω}}_{0}P}\·L_1\·L_2;$ 和L_f1/L_f2＝L₁/L₂，即可求得电路中所有参数的设计值。其中公式(2)中所述关系仅为一个推荐关系，设计中可根据实际情况进行调整。

附图3为发射端LCC补偿网络电路中的第一补偿电容C₁和接收端LCC补偿网络电路的第二补偿电容C₂，以及发射线圈L₁和接收线圈L₂的电路模型。当完成电路参数设计之后，下一步可计算应该将线圈分为几段来增加分布式电容，以降低线圈中的最大电位差。在进行了分布式设计后，实际的电路结构为附图4中所示，发射线圈L₁和L₂被等分为几段，每段之间通过同样拆分的电容C₁和C₂对应串联起来。

在使用分布式电容前，发射线圈和接收线圈中的最大电位差可由公式(3)求得。

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}\\ \mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}}\end{array}---\left(3\right)$

在使用分布式电容后，发射线圈和接收线圈中的最大电位差可由公式(4)求得，分段后最大电位差可显著降低。

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{1}{m_1}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}\\ \mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{1}{m_2}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}}\end{array}---\left(4\right)$

当系统结构和参数按照本发明中的相关要点完成之后，系统的能量传递具体实现如下：

接收线圈系统(103)靠近发射线圈系统(104)，如20cm间距。

直流到高频交流变换器P2输出频率为ω₀的高频交流电，供给发射线圈系统。

功率调节通过可调压直流电源P1实现，提高该电源输出电压，系统传输功率增加，降低该电源输出电压，系统传输功率减小。

图5为使用本发明用于无线电能传输的双边LCC补偿网络所述结构和方法设计的一个原理样机实施例，图5中所示为间隔45cm时传递800W功率点亮白炽灯。其在20cm间距，从直流端到电池的充电效率见图6和图7。在无位置偏移时，其充电效率达到96.1%。而在发生300mm位置偏移，线圈耦合发生较大变化时，在控制参数不变的情况下，系统仍能正常工作，其能量传递效率和功率的关系如图7所示，由于本发明结构的固有优势，此时的充电效率仍高达95.8%。

本发明技术方案的有益效果为：

1、固定谐振频率，控制简单，减少频带资源占用，降低电磁干扰问题。

2、非常容易实现开关器件的零电压开关这一最好的软开关条件，降低损耗以及电磁干扰。

3、系统特性使得对电池的恒流充电非常容易实现。

4、高输入电压，大充电电流。输出功率可通过调节输入电压非常方便的控制。并且，电压为唯一的控制量，从而大大简化控制复杂度。

5、在一个多接收端的配置中，每个接收端的接收功率可通过控制该接收端的电压U2来实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，包括：

一个发射电路，包括一个发射线圈（103），一个一端同发射线圈（103）相连，另一端同补偿电感相连的第一电容C₁，另一个并联于发射线圈（103）两端的电容C_f1，并且第一电容C₁和补偿电感串联接在一个电压源和发射线圈之间；

一个接收电路，包括一个接收线圈（104），一个一端同接收线圈（104）相连，另一端同补偿电感相连的第二电容C₂，另一个并联于接收线圈（104）两端的电容C_f2，并且第二电容C₂和补偿电感串联接在电池和发射线圈之间。

2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，还包括：

直流到交流变换器（102）和整流滤波装置（105）；

输入的交流电源连接所述电压源，所述电压源连接直流到交流变换器（102），所述直流到交流变换器（102）连接发射线圈（103），发射线圈（103）向接收线圈（104）无线传输能量；

接收线圈（104）连接所述整流滤波装置（105），所述整流滤波装置（105）连接负载，其中所述发射线圈（103）和接收线圈（104）各自分别连接LCC补偿网络电路。

3.根据权利要求2所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，所述LCC补偿网络电路包括：发射端LCC补偿网络电路和接收端LCC补偿网络电路，所述发射端LCC补偿网络电路一端连接直流到交流变换器（102），所述发射端LCC补偿网络电路另一端连接发射线圈（103）；所述接收端LCC补偿网络电路一端连接接收线圈（104），所述接收端LCC补偿网络电路另一端连接整流滤波装置（105）。

4.根据权利要求2所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，所述整流滤波装置（105）包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、滤波电容和滤波电感；

所述第一二极管正极连接第三二极管正极，所述第一二极管负极分别连接第二二极管正极和第二电感一端，所述第二二极管负极连接第四二极管负极，所述第四二极管负极还分别连接滤波电容一端和负载，所述滤波电容另一端分别连接第三二极管正极和滤波电感一端，所述滤波电感另一端连接负载。

5.根据权利要求3所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络，其特征在于，所述发射线圈（103）和接收线圈（104）分割为m段进行串联，所述m为正整数。

6.一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，接收线圈(104)靠近发射线圈(103)，由发射线圈向接收线圈无线传输能量；

步骤2，直流到交流变换器（102）输出频率为ω₀的高频交流电流，设定发射端LCC补偿网络电路的第一补偿电感参数供给发射线圈（103），设定接收端LCC补偿网络电路的第二补偿电感；

步骤3，功率调节通过可调压直流电源（101）实现，提高所述可调压直流电源（101）输出电压，传输功率增加；降低所述可调压直流电源（101）输出电压，传输功率减小。

7.根据权利要求6所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2-1，设定ω₀的输出工作频率

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_{f1}\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{f2}\·C_{f2}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_1})\·C_{f1}}}=\frac{1}{\sqrt{(L_2-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·C_2})\·C_{f2}}};$

步骤2-2，根据设定的ω₀得到无线电能传输系统参数

$L_{f1}\·C_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},$

$L_{f2}\·C_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},$

$L_1{-L}_{f1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_1},$

$L_2{-L}_{f2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_2},$

其中，L_f1为第一电感，C_f1为第一电容，L_f2为第二电感，C_f2第二电容，L₁为发射线圈，C₁为第一补偿电容，L₂为接收线圈，C₂为第二补偿电容。

步骤2-3，设定 $L_{f1}\·L_{f2}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{k{U}_i{U}_o}{{\mathrm{\ω}}_{0}P}\·L_1\·L_2;$ 和L_f1/L_f2＝L₁/L₂，

其中，k为发射线圈L₁和接收线圈L₂之间的耦合系数，U_i为直流到交流变换器的输入电压，U_o为经过整流滤波后的输出电压，P为无线系统的传输功率，发射端LCC补偿网络电路第一电感L_f1，接收端LCC补偿网络电路第二电感L_f2；

步骤2-4，输出功率通过控制输入电压U₁或输出电压U₂来调节，或者任何等效的改变U₁和U₂的方法来调节输出功率，

$P=\frac{\sqrt{L_1\·L_2}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{f1}\·L_{f2}}\·k\·U_1\·U_2;$

步骤2-5，若L_f1和L₁之间的耦合电感为M₁，L_f2和L₂之间的耦合电感为M₂，则L_f1和L_f2集成后的输出功率为，

$P^{\′}=\frac{\sqrt{(L_1+M_1)\·(L_2+M_2)}}{{\mathrm{\ω}}_0(L_{f1}+M_1)\·(L_{f2}+M_2)}\·k\·U_1\·U_2;$

步骤2-6，发射线圈的最大电位差ΔU_{L1_max}和接收线圈的最大电位差ΔU_{L2_max}分别为

$\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}$

$\mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}}.$

8.根据权利要求7所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，其特征在于，所述步骤2-2包括：

步骤2-2-1，为了降低无线电能传输系统对参数误差的敏感度，使用如下公式

$\frac{L_{f1}}{L_1}=\frac{L_{f2}}{L_2}=\stackrel{\‾}{k}$

$\frac{L_1}{L_2}={\left(\frac{U_i}{U_o}\right)}^2$

其中为正常能量传递状态下，发射线圈和接收线圈之间耦合系数的平均值。

9.根据权利要求8所述的用于无线电能传输的双边LCC补偿网络调谐方法，其特征在于，还包括：

步骤2-2-2，使用分布式补偿电容，发射线圈的最大电位差ΔU_{L1_max}和接收线圈的最大电位差ΔU_{L2_max}由如下公式

$\mathrm{\Δ}{U}_{L1\_\max }=\frac{1}{m_1}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_i{L}_1}{L_{f1}}$

$\mathrm{\Δ}{U}_{L2\_\max }=\frac{1}{m_2}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{U_o{L}_2}{L_{f2}},$

其中，m₁为发射线圈L₁所分的段数，m₂为接收线圈L₂所分的段数，m为正整数。

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