CN105515215A - 一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，属于无线电能传输技术领域。本发明所述的恒流补偿网络拓扑的确定方法，包括：首先根据系统的电流增益与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化确定系统的网络参数，进而确定恒流补偿网络拓扑，给出了4组原边、副边谐振网络均可由T型或者Π型网络等效的恒流补偿网络拓扑。IPT系统的输出电流不受限于非接触式变压器的参数，简化了非接触式变压器的设计；可同时实现与负载无关的恒流输出和单位功率因数，减少无功功率，降低器件应力的要求，提高传输效率。

Description

一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法

技术领域

本发明公开了一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，适用于无线充电场合，属于无线电能传输的技术领域。

背景技术

近年来，感应式无线电能传输(InductivePowerTransfer)日益成为人们研究的热点，在许多场合也获得了应用。在许多商业、工业和研究领域，例如：电容器充电、电池充电、发光半导体驱动均需要电流源。IPT系统需要输出负载所需的恒定电流。

IPT系统以交变的电磁场为媒介，将能量传输到负载，其漏感较大，通常需要加入谐振补偿网络，但是补偿后的网络，其输出特性十分复杂。为了输出所需的电流，通常采用控制手段。为了降低电路器件应力，实现电压电流零相位差(ZeroPhaseAngle,ZPA)，通常采用变频控制实现一定负载范围内的ZPA，通过后级变换器调节负载所需的负载电流，但是ZPA存在多个频率点，带来频率分叉问题，降低了系统稳定性，并且额外的后级电路增加成本和损耗。

为了简化控制系统，有文献从电路的结构入手进行分析，经研究发现串串(SS)和并串(PS)结构工作在时可同时实现与负载无关的恒流输出和单位功率因数。因此在定频状态下可以大大简化控制系统。但上述结构的恒流大小均受非接触式变压器参数的影响，而非接触式变压器的参数受空间、距离限制，设计复杂，在有限的空间和距离下，变压器参数可能难以满足设计要求。因此，本发明是基于以上问题，针对恒流提出一族新的补偿网络拓扑，使得在满足单位功率因数和输出负载无关性的前提下，通过设计补偿参数，可实现负载所需的恒定电流，该补偿网络可有效避免设计时对变压器参数的限制，从而简化变压器的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，由该方法获取4种新型恒流谐振补偿网络，该谐振补偿网络能够实现不随负载变化的恒流输出，且恒流大小不受非接触式变压器参数限制，从而简化非接触式变压器设计，解决了现有恒流输出方案中输出大小均受非接触式变压器参数的限制以及在有限的空间和距离下变压器参数可能难以满足恒流要求的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取串联在非接触式变压器原边的电容作为原边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_S}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-{\mathrm{j\ωL}}_S}{1+j\mathrm{\ω}MG}\\ \frac{L_S}{GM}\\ \frac{-L_S}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为副边补偿电路，ω为工作角频率，C_P为原边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，在时：选取Z_A为容性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取等效为一个电容的器件构成T型网络，或者，选取Z_B为容性的器件以及Z_A和Z_C均无穷大的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络。

无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取串联在非接触式变压器副边的电容作为副边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_P}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-L_P}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\\ \frac{L_P}{GM}\\ \frac{-{\mathrm{j\ωL}}_P}{1+j\mathrm{\ω}MG}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为原边补偿电路，ω为工作角频率，C_s为副边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，在时：选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取等效为一个电容的器件构成T型网络，或者，选取Z_B为容性的器件以及Z_A和Z_C均无穷大的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络。

无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取并联在非接触式变压器原边的电容作为原边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为副边补偿电路，ω为工作角频率，C_P为原边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁＝0、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C＝0构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为感性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络。

无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取并联在非接触式变压器副边的电容作为副边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_S{L}_P-M^2)}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为原边补偿电路，ω为工作角频率，C_s为副边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃＝0的器件构成T型网络，或者，选取Z_A＝0、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为感性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)对于一个非接触式变压器，通过设计不同的补偿网络参数即可实现负载所需的不同恒流输出，简化了非接触式变压器的设计；

(2)以本申请简化设计的非接触式变压器作为IPT系统的核心部件，IPT系统的输出电流不受限于非接触式变压器的参数同时实现了与负载无关的恒流输出和单位功率因数，减少无功功率，降低器件应力的要求，提高IPT系统的传输效率；

(3)本申请以原边/副边一侧采用单个电容而另一侧采用T型或Π型网络组成恒流补偿网络，减少了谐振补偿网络阶数。

附图说明

图1是本发明恒流谐振补偿网络的框图。

图2(a)、图2(b)分别是T型网络和Π型网络。

图3(a)是原边串联电容且副边T型(或Π型)的谐振网络，图3(b)为T型网络，图3(c)至图3(f)是电流增益满足不同条件时的Π型网络。

图4(a)是副边串联电容且原边T型(或Π型)的谐振网络，图4(b)为T型网络，图4(c)至图4(f)是电流增益满足不同条件时的Π型网络。

图5(a)是原边并联电容且原边T型(或Π型)的谐振网络，图5(b)至图5(e)为电流增益满足不同条件时的T型网络，图5(f)至图5(i)是电流增益满足不同条件时的Π型网络。

图6(a)是副边并联电容且副边T型(或Π型)的谐振网络，图6(b)至图6(e)为电流增益满足不同条件时的T型网络，图6(f)至图6(i)是电流增益满足不同条件时的Π型网络。

图7是原边串联电容，副边Π型结构实验电路图。

图8是负载10欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形。

图9是负载20欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形。

图10是负载30欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形。

具体实施方式

本发明基于二端口网络理论，根据负载无关性、输入阻抗零相位差等要求确定整个系统二端口网络的阻抗特性，将系统二端口网络分解为原边补偿网络、非接触变压器、副边补偿网络三个子二端口网络级联，进而得出原、副边谐振补偿网络的参数特性。下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图1为本发明恒压谐振补偿网络的框图，包括原边补偿电路，非接触变压器，副边补偿电路，ω为工作角频率，C_P为原边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值。定义原边补偿网络的转移参数矩阵为A_P，非接触式变压器的转移参数矩阵为A_T，副边补偿网络的转移参数矩阵为A_S，整个系统的转移参数矩阵为A，那么有：

$A=A_P\·A_T\·A_S=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]---\left(1\right)$

那么系统可简化为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{in}=a_{11}{V}_o+a_{12}(-I_o)\\ I_{in}=a_{21}{V}_o+a_{22}(-I_o)\\ V_o=R_E(-I_o)\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据式(2)可得到：

$G=\frac{-I_o}{V_{in}}=\frac{1}{a_{12}+a_{11}{R}_E}---\left(3\right)$

$Z_{in}=\frac{a_{11}{R}_E+a_{12}}{a_{21}{R}_E+a_{22}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_P=\frac{{\left|I_o\right|}^2{R}_E}{{\left|V_{in}\right|}^2/\mathrm{Re}\left(Z_{in}\right)}={\left|G\right|}^2\mathrm{Re}\left(Z_{in}\right)R_E---\left(5\right)$

为了使输出为恒压源，即电流增益G与负载R_E无关，那么a₁₁＝0。那么，

$\begin{array}{c}G=\frac{1}{a_{12}}\⇒a_{12}=\frac{1}{G}\\ Z_{in}=\frac{a_{12}}{a_{21}{R}_E+a_{22}}\end{array}---\left(6\right)$

当电流增益G为定值时，根据能量守恒原理，负载R_E变化时，输入阻抗Z_in随负载R_E变化，所以a₂₂≠0。

为了减小无功功率，需要使输入阻抗Z_in为纯阻性，即Re(Z_in)＝Z_in，那么

η_P＝|G²|Z_inR_E(7)

忽略元件的寄生电组，η_P为单位系统效率，η_P＝1，所以

$Z_{in}{R}_E=\frac{1}{{\left|G\right|}^2}\⇒\frac{a_{12}{R}_E}{a_{21}{R}_L+a_{22}}=\frac{1}{{\left|G\right|}^2}\⇒\left\{\begin{array}{c}{a}_{22}=0\\ a_{21}=\frac{{\left|G\right|}^2}{G}\end{array}\right.---\left(8\right)$

所以系统的参数矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ \frac{{\left|G\right|}^2}{G}& 0\end{array}\right]---\left(9\right)$

根据转移参数矩阵的性质a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁＝1，可得G为纯虚数。

所以系统的参数矩阵简化为：

$A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],G=\±j\left|\frac{I_o}{V_{in}}\right|---\left(10\right)$

图2(a)、图2(b)分别为T型网络和Π型网络，根据电路理论，原副边补偿网络都可以用T型网络和Π型网络等效，为了减少谐振网络阶数，该发明采用原副边一侧采用单个电容，另一侧采用T型或Π型网络，因此其结构大致可以分为四组：1、原边串联电容，副边T型(或Π型)谐振网络；2、副边串联电容，原边T型(或Π型)谐振网络；3、原边并联电容，副边T型(或Π型)谐振网络；4、副边并联电容，原边T型(或Π型)谐振网络。

图3(a)为原边串联电容且副边T型(或Π型)的谐振网络，原边串联电容C_P满足如下条件：设计副边补偿系统，使得输出为恒流源。

变压器的转移参数矩阵A_T和原边补偿网络的转移参数矩阵A_P分别为：

$A_T=\left[\begin{array}{cc}\frac{L_P}{M}& \frac{{\mathrm{j\ωL}}_P{L}_S}{M}-j\mathrm{\ω}M\\ \frac{1}{j\mathrm{\ω}M}& \frac{L_S}{M}\end{array}\right]---\left(11\right)$

$A_P=\left[\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωL}}_P\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(12\right)$

所以副边补偿网络的转移参数矩阵A_S为：

$A_S=A_T^{-1}\·A_P^{-1}\·A=\left[\begin{array}{cc}-j\mathrm{\ω}MG& \frac{L_s}{GM}\\ 0& -\frac{1}{j\mathrm{\ω}MG}\end{array}\right]---\left(13\right)$

如果副边补偿网络用T型网络等效，解得方程为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_S}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]---\left(14\right)$

T网络等效为一个电容，如图3(b)所示。

如果副边补偿网络采用Π型等效，解得方程为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-{\mathrm{j\ωL}}_S}{1+j\mathrm{\ω}MG}\\ \frac{L_S}{GM}\\ \frac{-L_S}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\end{array}\right]---\left(15\right)$

若如图3(c)所示，Z_A为容性，Z_B为容性，Z_C为感性；

若如图3(d)所示，Z_A为开路，Z_B为容性，Z_C为开路；

若如图3(e)所示，Z_A为感性，Z_B为容性，Z_C为容性；

若如图3(f)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为容性。

图4(a)为副边串联电容且原边T型(或Π型)的谐振网络，副边串联电容C_S满足：设计原边补偿系统，使得输出为恒流源。

变压器的转移参数矩阵A_T和副边补偿电容的转移参数矩阵A_S分别为：

$A_T=\left[\begin{array}{cc}\frac{L_P}{M}& \frac{{\mathrm{j\ωL}}_P{L}_S}{M}-j\mathrm{\ω}M\\ \frac{1}{j\mathrm{\ω}M}& \frac{L_S}{M}\end{array}\right]---\left(16\right)$

$A_S=\left[\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωL}}_S\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(17\right)$

所以原边补偿网络的转移参数矩阵A_P为：

$A_P=A\·A_S^{-1}\·A_T^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\frac{j}{\mathrm{\ω}MG}& \frac{L_P}{GM}\\ 0& -j\mathrm{\ω}MG\end{array}\right]---\left(18\right)$

如果原边补偿网络用T型网络等效，解得方程为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_P}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]---\left(19\right)$

T网络等效为一个电容，如图4(b)所示。

如果原边补偿网络用Π型网络等效，那么：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-L_P}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\\ \frac{L_P}{GM}\\ \frac{-{\mathrm{j\ωL}}_P}{1+j\mathrm{\ω}MG}\end{array}\right]---\left(20\right)$

若如图4(c)所示，Z_A为感性，Z_B为容性，Z_C为容性；

若如图4(d)所示，Z_A为开路，Z_B为容性，Z_C为开路；

若如图4(e)所示，Z_A为容性，Z_B为容性，Z_C为感性；

若如图4(f)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为容性。

图5(a)为原边并联电容且副边T型(或Π型)的谐振网络，原边并联电容C_P满足：设计副边补偿系统，使得输出为恒流源。

变压器的转移参数矩阵A_T和原边并联电容的转移参数矩阵A_P分别为：

$A_T=\left[\begin{array}{cc}\frac{L_P}{M}& \frac{{\mathrm{j\ωL}}_P{L}_S}{M}-j\mathrm{\ω}M\\ \frac{1}{j\mathrm{\ω}M}& \frac{L_S}{M}\end{array}\right]---\left(21\right)$

$A_P=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{{\mathrm{j\ωL}}_P}& 1\end{array}\right]---\left(22\right)$

$A_S-A_T^{-1}\·A_P^{-1}\·A=\left[\begin{array}{cc}\frac{j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{M}& \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ -\frac{{\mathrm{GL}}_P}{M}& 0\end{array}\right]---\left(23\right)$

如果副边补偿网络采用T型网络等效，方程组解为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\end{array}\right]---\left(24\right)$

若如图5(b)所示，Z₁为感性，Z₂为容性，Z₃为感性；

若如图5(c)所示，Z₁为短路，Z₂为容性，Z₃为感性；

若如图5(d)所示，Z₁为容性，Z₂为容性，Z₃为感性；

若如图5(e)所示，Z₁为容性，Z₂为感性，Z₃为容性；

如果副边补偿网络采用Π型网络等效。方程组的解为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\end{array}\right]---\left(25\right)$

若如图5(f)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为容性；

若如图5(g)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为开路；

若如图5(h)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为感性；

若如图5(i)所示，Z_A为感性，Z_B为容性，Z_C为感性。

图6(a)为副边并联电容且原边T型(或Π型)的谐振网络，副边并联电容C_S满足设计原边补偿系统，使得输出为恒流源。

变压器的转移参数矩阵A_T和副边并联电容的转移参数矩阵A_S分别为：

$A_T=\left[\begin{array}{cc}\frac{L_P}{M}& \frac{{\mathrm{j\ωL}}_P{L}_S}{M}-j\mathrm{\ω}M\\ \frac{1}{j\mathrm{\ω}M}& \frac{L_S}{M}\end{array}\right]---\left(26\right)$

$A_S=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{{\mathrm{j\ωL}}_S}& 1\end{array}\right]---\left(27\right)$

$A_P={\mathrm{AA}}_S^{-1}{A}_T^{-1}=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ -\frac{{\mathrm{GL}}_S}{M}& \frac{j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{M}\end{array}\right]---\left(28\right)$

如果原边采用T型网络等效，方程组解为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]---\left(29\right)$

若如图6(b)所示，Z₁为感性，Z₂为容性，Z₃为感性；

若如图6(c)所示，Z₁为感性，Z₂为容性，Z₃为短路；

若如图6(d)所示，Z₁为感性，Z₂为容性，Z₃为容性；

若如图6(e)所示，Z₁为容性，Z₂为感性，Z₃为容性；

如果原边采用Π型网络等效，方程解为：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]---\left(30\right)$

若如图6(f)所示，Z_A为容性，Z_B为感性，Z_C为容性；

若如图6(g)所示，Z_A为开路，Z_B为感性，Z_C为容性；

若如图6(h)所示，Z_A为感性，Z_B为感性，Z_C为容性；

若如图6(i)所示，Z_A为感性，Z_B为容性，Z_C为感性。

图7为实验电路的图形，以原边串联电容，副边Π型结构为例进行实验验证，Π型结构选择电流增益为负虚数的结构。设定输入电压V_IN为24V，输出电流为1A，系统的工作频率f为200KHz。非接触式变压器参数如下：L_P＝22.07uH，L_S＝23.46uH，M＝15.24uH。原、副边补偿参数设计如下：

$\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}f\frac{I_o}{V_{in}}=\frac{1}{24},$ 为了抵消系统寄生电阻功率损耗，取 $G=-j\frac{1}{22}$

$C_P=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_P}=28.69nF$

$Z_A=\frac{-{\mathrm{j\ωL}}_S}{1+j\mathrm{\ω}MG}=-j15.76$

$Z_B=\frac{L_S}{GM}=j33.866$

$Z_C=\frac{-L_S}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}=-j18.105$

$C_A=\frac{1}{{\mathrm{j\ωZ}}_1}=50.49nF$

$L_B=\frac{Z_2}{j\mathrm{\ω}}=26.95uH$

$C_C=\frac{1}{{\mathrm{j\ωZ}}_3}=43.95nF$

具体实验参数如下：C_P＝30.8nF，C_A＝50.3nF，L_B＝26.81uH，C_C＝44nF。C_P略大于理论值便于实现ZVS。

图8为负载10欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形；图9为负载20欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形；图10为负载30欧姆时驱动信号v_GS1、输入电压v_AB，输入电流i_IN及输出电流I_O的波形。从图中可以看出，当负载从10欧姆变到30欧姆时，输出电流I_O基本保持不变。同时输入电压v_AB和电流i_IN基本同相，输入阻抗角很小，功率因素接近为1，即应用本发明公开的方法确定的恒流补偿网络实现了电流增益与负载无关、输入阻抗纯阻性、单位系统效率的设计目标。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)对于一个非接触式变压器，通过设计不同的补偿网络参数即可实现负载所需的不同恒流输出，简化了非接触式变压器的设计；

(2)以本申请简化设计的非接触式变压器作为IPT系统的核心部件，IPT系统的输出电流不受限于非接触式变压器的参数同时实现了与负载无关的恒流输出和单位功率因数，减少无功功率，降低器件应力的要求，提高IPT系统的传输效率；

(3)本申请以原边/副边一侧采用单个电容而另一侧采用T型或Π型网络组成恒压补偿网络，减少了谐振补偿网络阶数。

Claims (4)

1.一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，其特征在于：

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取串联在非接触式变压器原边的电容作为原边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_S}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-{\mathrm{j\ωL}}_S}{1+j\mathrm{\ω}MG}\\ \frac{L_S}{GM}\\ \frac{-L_S}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为副边补偿电路，ω为工作角频率，C_P为原边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取等效为一个电容的器件构成T型网络，或者，选取Z_B为容性的器件以及Z_A和Z_C均无穷大的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络。

2.一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，其特征在于：

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取串联在非接触式变压器副边的电容作为副边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1+Z_3\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{L_P}{GM}\\ \mathrm{\∞}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-L_P}{GM(1+j\mathrm{\ω}MG)}\\ \frac{L_P}{GM}\\ \frac{-{\mathrm{j\ωL}}_P}{1+j\mathrm{\ω}MG}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为原边补偿电路，ω为工作角频率，C_s为副边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取等效为一个电容的器件构成T型网络，或者，选取Z_B为容性的器件以及Z_A和Z_C均无穷大的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络。

3.一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，其特征在于：

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取并联在非接触式变压器原边的电容作为原边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2)}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{-M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_P}\\ \frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为副边补偿电路，ω为工作角频率，C_P为原边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁＝0、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为开路的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为感性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为感性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络。

4.一种无线电能传输系统恒流补偿网络拓扑的确定方法，其特征在于：

首先，分别在非接触式变压器原边和副边连接原边补偿电路和副边补偿电路，在原边补偿电路输入端施加正弦电压V_in后形成向副边补偿电路输出端负载供电的感应式无线电能传输系统；

接着，以系统的电流增益G与负载无关、系统输入阻抗为纯阻性、系统效率最大化为目标确定系统的转移参数矩阵A， $A=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{G}\\ -G& 0\end{array}\right],$ I_o为负载所需的输出电流；

然后，选取并联在非接触式变压器副边的电容作为副边补偿电路，采用参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{M-j\mathrm{\ω}G(L_S{L}_P-M^2)}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]$ 的T型网络或者参数满足： $\left[\begin{array}{c}{Z}_A\\ Z_B\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{M^2}{{\mathrm{GL}}_P(-M+j\mathrm{\ω}G(L_P{L}_S-M^2\left)\right)}\\ \frac{M}{{\mathrm{GL}}_S}\\ \frac{-M}{{\mathrm{GL}}_S}\end{array}\right]$ 的Π型网络作为原边补偿电路，ω为工作角频率，C_s为副边补偿电路的电容值，L_P、L_S分别为非接触式变压器原边绕组、副边绕组的电感值，M为非接触式变压器原副边绕组的互感值，Z₁、Z₂、Z₃分别为T型网络参数，参数为Z₁、Z₂、Z₃的器件的一端并接在一起，参数为Z₁的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的一个端口，参数为Z₃的器件的另一端和参数为Z₂的器件的另一端构成T型网络的另一个端口，Z_A、Z_B、Z_C分别为Π型网络参数，参数为Z_A的器件的一端和参数为Z_B的器件的一端连接，参数为Z_B的器件的另一端和参数为Z_C的器件的一端连接，参数为Z_A的器件的两端构成Π型网络的一个端口，参数为Z_C的器件的两端构成Π型网络的另一个端口，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为感性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为容性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃＝0的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为开路、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为感性、Z₂为容性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为感性、Z_C为容性的器件构成Π型网络，

在时：选取Z₁为容性、Z₂为感性、Z₃为容性的器件构成T型网络，或者，选取Z_A为感性、Z_B为容性、Z_C为感性的器件构成Π型网络。