CN105811592A - 一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，包括：顺序连接的全桥逆变电路、滤波电路、原边补偿电路、互感器、副边补偿电路、整流滤波电路；所述全桥逆变电路的两个输入端用于连接电源正负极；整流滤波电路的两个输出端之间用于连接负载。本发明省去了耦合器特殊设计的高成本，省去复杂的频率跟踪控制系统，提高了系统的偏移阈值。

Description

一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路

技术领域

本发明涉及感应电能传输系统(IPT或ICPT)领域，具体说是一种输出电压在特定条件下输出电压不受耦合线圈之间相对位置影响的IPT补偿拓扑。

背景技术

感应电能传输技术(IPT)是非接触电能传输技术的一种。随着电力电子技术的飞快发展，感应电能传输技术的应用越来越广泛和高效。

虽然，感应电能传输技术的原理与传统变压器原理相同。但是，两个之间的特性却有很大的不同。一般而言，感应电能传输系统使用松耦合变压器。松耦合变压器的原副边之间没有物理接触是完全的电气隔离，在恶劣环境下也有很高的安全性和可维护性。同时由于原副边可以相对移动从而具有较高的灵活性与移动性。基于以上特点，感应电能传输技术广泛应用于植入设备，便携设备，轨道系统，电动汽车等。在通常的感应电能传输系统中两线圈的相对位置对耦合系数影响很大，而输出功率是与耦合系数相关的。因此，耦合器位置的变化会造成输出功率的不稳定。

感应电能传输系统中一般需要采用原边和副边补偿电路以减小供电电源的伏安容量，提高电能传输能力。通过组合串联和并联补偿，可以得到四种常用补偿拓扑，即串联-串联拓扑(SS)、串联-并联拓扑(SP)、并联-并联拓扑(PS)、并联-串联拓扑(PS)。四种拓扑结构如图1所示。各种不同的拓扑有不同的特性，副边串联补偿表现为电压源特性，其反应到原边的反应阻抗为存阻性。副边并联补偿表现为电流源特性，其反映到原边的反应阻抗为容性。原边串联补偿会造成非常大的激励电流，从而使得在线圈不完全耦合的情况下工作不稳定。而原边并联补偿时，系统输出功率随着耦合系数衰减过快。

在完全谐振的情况下，串联串联补偿可以使系统输出与耦合系数无关，然后会使得系统不稳定。从而有人提出采用用移频控制的方法，但是控制策略复杂，设计成本高。而并联并联补偿则有较高的原边阻抗，且系统更加稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应电能传输(IPT或ICPT)补偿电路，其用于在特定工作频率下电能从发射端传输到接受端，且输出电压在特定条件下不受耦合线圈之间相对位置的影响。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，包括：顺序连接的全桥逆变电路、滤波电路、原边补偿电路、互感器、副边补偿电路、整流滤波电路；所述全桥逆变电路的两个输入端用于连接电源正负极；整流滤波电路的两个输出端之间用于连接负载。

所述滤波电路包括串联的电感Lf和电容Cf；所述电感Lf一端与全桥逆变电路的一个输出端连接，另一端与电容Cf连接。

所述原边补偿电路包括电容Cps和电容Cpp；互感器的初级电感串联电容Cps后并联有电容Cpp；电容Cps和电容Cpp之间的结点与滤波电路的电容Cf连接；电容Cpp与初级电感之间的结点与全桥逆变电路的另一个输出端连接。

所述副边补偿电路为电容Cs；互感器的次级电感一端通过电容Cs后、与另一端分别与整流滤波电路的两个输入端连接。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明省去了耦合器特殊设计的高成本。

2.本发明省去复杂的频率跟踪控制系统。

3.本发明提高了系统的偏移阈值。

附图说明

图1a为串联-串联拓扑(SS)图一；

图1b为串联-并联拓扑(SP)图一；

图1c为串联-串联拓扑(SS)图二；

图1d为串联-并联拓扑(SP)图二；

图2为本发明的感应电能传输系统补偿电路图；

图3为输出电压随着水平位移x的变化曲线图；

图4为输出电压随着垂直位移g的变化曲线图；

图5为标称条件下(x＝0mm)的电压电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明公开了一种感应电能传输(IPT：Inductivepowertransfer或ICPT：Inductivecoupledpowertransfer)补偿电路，包括发射端的电路和接受端电路。其用于从发射端线圈将能量传递到接受端负载，所述电路具有发射线圈Lp，发射端串联补偿谐振电容Cps，发射端并联补偿谐振电容Cpp，三者构成发射端谐振电路；同时还包括接收线圈Ls，接收端串联补偿谐振电容Cs二者构成接受端谐振电路；谐振电路可以在系统工作频率下谐振；此外还包括附属电抗元件(Lf，Cf)及开关管(S1-S4)，所述附属电抗元件(Lf,Cf)在工作频率下谐振，以使得输入电流为正弦或余弦波。所述电路能使得感应电能传输系统的输出电压在一定条件下不受耦合线圈相对位置的影响。

一种感应电能传输(IPT或ICPT)补偿电路，其用于在特定工作频率下电能从发射端传输到接受端，且输出电压在特定条件下不受耦合线圈之间相对位置的影响。所述电路具有：

发射端谐振电路，其包括发射端线圈和一个与线圈串联的补偿谐振补偿电容和一个并联的电容器。

接收端谐振电路，包括接收端线圈和一个与线圈串联的谐振电容。

开关装置，所述开关装置处于工作状态。

多个附属电抗元件，所叙述的电抗元件在所选择的特定工作频率下，使得输入到发射端谐振电路的电流为正弦或余弦波。

当开关装置处于工作状态时，电能从发射端电路传输到接收端电路，接收端线圈与接收端谐振电容器处于谐振状态。

发射端串联谐振电容Cps与发射端线圈Lp处于部分谐振状态，发射端串联电容Cps与发射端线圈Lp组成支路，该支路与发射端并联电容Cpp完全谐振。输出包括整流器和滤波电路以提供DC电源。

感应电能传输系统分为两个部分：发射端和接收端。典型发射端包括全桥逆变电路(开关管S1-S4)、滤波电路(Lf，Cf)、原边补偿电路(Cps、Cpp)、互感器初级绕组(Lp)。接收端包括互感器次级绕组(Ls)、副边补偿电路(Cs)、整流滤波电路(4个二极管构成的整流电路和滤波电容Cout)、负载(R₀)。系统的结构如图2所示。

全桥逆变器由4个mosfet组成，它将输入的直流转变为高频交流，其频率根据应用不同从几kHz到几MHz不等。逆变后的高频电流通过由L_f于C_f组成的滤波电路进行滤波，再经过原边补偿电路送达原边耦合线圈。原边耦合线圈与副边耦合线圈之间通过磁场耦合进行能量传输，其耦合器结构形式为松耦合器。副边耦合器中感应出的交变电流经过补偿电路后由全桥整流电路整流为直流再通过滤波电路滤波之后，变为平滑的直流输出到目标电路。

对于图2中各个电感值的选取，遵循下文所讨论的选取方式。选取C_s使得副边侧处于谐振状态，电感和电容的总电抗为零。从而可得到：

$C_s=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{L}_s}---\left(1\right)$

式中：L_s为副边线圈的自感。ω₀表示系统所选取的谐振角频率，且ω₀＝2πf₀，f₀为谐振频率。

C_ps采用部分补偿的原则进行选择，有

$C_{\mathrm{ps}}=\frac{1}{(1-a)L_p{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(2\right)$

其中，Lp为原边线圈的自感，a为辅助参数且0＜a＜1。

设电源所见电抗为Z_source，则可得：

$Z_{\mathrm{source}}=\frac{(Z_p+Z_r)}{1+(Z_p+Z_r)j{C}_{\mathrm{pp}}{\mathrm{\ω}}_0}---\left(3\right)$

其中Z_p＝jω₀aL_p为经过补偿后原边支路的总电抗。二次侧反映到初次的电抗值设为其中R_eq＝8R₀/π²，M为线圈之间的互感，且k为线圈之间的耦合系数，C_pp为原边并联补偿电容，R₀为负载。

为使电路在耦合器对齐时处于ZPA状态，则需要使得此时电源所视的整个电路电抗为纯电阻性。由此可得：

$C_{\mathrm{pp}}=\frac{{\mathrm{aL}}_p}{{\left(\mathrm{a\ω}{L}_p\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2{M}_{\max }^2}{R_{\mathrm{eq}}}\right)}^2}---\left(4\right)$

其中M_max为耦合器对齐状态(耦合系数k最大)时的互感值，ω为工作角频率。

测得性能如下：

图3为输出电压随着水平位移x的变化曲线，包括实验数据和仿真数据。图中数据为两线圈垂直距离为40mm的情况下采集。由图可以看出，当两线圈在标称位置开始水平移动时，输出电压开始缓慢增加，在水平偏移量达到40mm左右时达到最大值，之后再急速下降。最大电压变动为5％的情况下，最大水平偏移量可以达到40mm，为线圈外径的30％左右。

图4为输出电压随着垂直位移g的变化曲线，图中数据采集条件为水平位移为零。由图可以看出，随着垂直位移变大输出电压首先稍微上升，然后近于线性下降。

图5为原边线圈中的RMS电流随着水平移动的变化曲线。由于副边电路反馈到原边的电抗快速，该电流在水平位移大于60mm时变化不大。

Claims (4)

1.一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，其特征在于包括：顺序连接的全桥逆变电路、滤波电路、原边补偿电路、互感器、副边补偿电路、整流滤波电路；所述全桥逆变电路的两个输入端用于连接电源正负极；整流滤波电路的两个输出端之间用于连接负载。

2.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，其特征在于所述滤波电路包括串联的电感Lf和电容Cf；所述电感Lf一端与全桥逆变电路的一个输出端连接，另一端与电容Cf连接。

3.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，其特征在于所述原边补偿电路包括电容Cps和电容Cpp；互感器的初级电感串联电容Cps后并联有电容Cpp；电容Cps和电容Cpp之间的结点与滤波电路的电容Cf连接；电容Cpp与初级电感之间的结点与全桥逆变电路的另一个输出端连接。

4.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路，其特征在于所述副边补偿电路为电容Cs；互感器的次级电感一端通过电容Cs后、与另一端分别与整流滤波电路的两个输入端连接。