CN106100345A - 用于无线电能传输的双侧t‑s补偿拓扑及参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无线电能传输的双侧T‑S补偿拓扑及参数匹配方法，包括：依次相连的逆变器、第一T型结构、收发模块、第二T型结构以及整流器；逆变器的连接至直流电源输出端，用于将直流电逆变为交流电后传输给第一T型结构；第一T型结构用于获得稳定的电流并稳定发送端的传输功率；收发模块用于以无线方式将逆变的交流电传输至第二T型结构；第二T型结构用于获得稳定的电流并稳定接收端的传输功率；所述整流器，用于对接收端的交流电进行整流处理，输出相应的直流电。本发明很好的解决了传输功率等级以及功率传输的稳定性问题，实现原边线圈电流和输出电流恒定，不随负载变化；通过参数的匹配实现谐振频率与负载、原副线圈的距离无关。

Description

用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑及参数匹配方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统，具体地，涉及一种用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑及参数匹配方法。

背景技术

目前，谐振式无线电能传输系统广泛的应用在电动汽车、水下机器人、手机、无人机等各个工业领域。随着应用领域的不断扩大，对于无线电能传输系统的功率和效率的要求也越来越高，而补偿网络拓扑的结构对于功率和效率的影响都是很大的。传统的SS补偿网络拓扑结构虽然可以取得一定的性能，但是其传输功率不稳定，输出电流也不稳定，效率也不是很高，谐振频率容易受距离、负载的变化而变化。导抗变换器的引入，可以很好的解决传输功率等级以及功率传输的稳定性问题，同时可以实现原边线圈电流和输出电流恒定，不随负载变化；通过参数的匹配，可以实现谐振频率与负载、线圈的距离无关等特性，同时效率也比较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑及参数匹配方法。

根据本发明提供的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，包括：依次相连的逆变器、第一T型结构、收发模块、第二T型结构以及整流器；

所述逆变器连接至直流电源输出端，用于将直流电逆变为高频交流电后传输给第一T型结构；

所述第一T型结构，用于获得稳定的电流，并稳定发送端的传输功率；

所述收发模块，用于以无线方式将逆变的交流电传输至第二T型结构；

所述第二T型结构，用于获得稳定的电流，并稳定接收端的传输功率；

所述整流器，用于对接收端的交流电进行整流处理，输出相应的直流电。

优选地，所述收发模块包括：原边线圈、副边线圈、第一补偿电容C1、第二补偿电容C2，所述原边线圈与副边线圈之间留有间隙，所述间隙的距离越小，则收发模块的传输效率越高；所述原边线圈的一端连接至第一补偿电容C1的一端，所述第一补偿电容C1的另一端构成所述收发模块的第一输入端；所述原边线圈的另一端构成所述收发模块的第二输入端；所述副边线圈的一端连接至第二补偿电容C2的一端，所述第二补偿电容C2的另一端构成所述收发模块的第一输出端；所述副边线圈的另一端构成所述收发模块的第二输出端。

优选地，所述第一T型结构包括：电感Lt1、电感Lt2以及电容Ct1，所述电感Lt1的一端构成所述第一T型结构的第一输入端，所述电感Lt1的另一端分别连接至电感Lt2的一端、电容Ct1的一端；所述电感Lt2的另一端连接至收发模块的第一输入端，所述电容Ct1的另一端连接至收发模块的第二输入端。

优选地，所述第二T型结构包括：电感Lt3、电感Lt4以及电容Ct2，所述电感Lt4的一端构成所述第二T型结构的第一输出端，所述电感Lt3的另一端分别连接至电感Lt4的一端、电容Ct2的一端；所述电感Lt3的另一端连接至收发模块的第一输出端，所述电容Ct2的另一端连接至收发模块的第二输出端。

优选地，所述逆变器包括：开关S1、开关S2、开关S3、开关S4，开关S1的一端和开关S3的一端相连且构成直流电源的正输入端，开关S2的一端和开关S4的一端相连且构成直流电源的负输入端，开关S1的另一端与开关S2的另一端相连，开关S3的另一端与开关S4的另一端相连，其中：开关S1的另一端还连接至第一T型结构的第一输入端，开关S3的另一端还连接至收发模块的第二输入端。

优选地，所述整流器包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L0、电容L0，电感L0的一端分别连接至二极管D1的负极、二极管D3的负极、电容C0的一端，电容C0的另一端分别连接至二极管D2的正极、二极管D4的正极，所述电感L0的另一端构成所述整流器的正电压输出端连接至电池的正极，所述电容C0的另一端构成所述整流器的负电压输出端连接至电池的负极；二极管D1的正极与二级管D2的负极相连，二极管D3的正极与二级管D4的负极相连，且二极管D1的正极连接至第二T型结构的第一输出端，二极管D3的正极连接至收发模块的第二输出端。

根据本发明提供的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑的参数匹配方法，包括如下步骤：

步骤1：控制原边线圈与副边线圈的距离，使原边线圈侧的电能通过耦合作用传输至副边线圈侧，原边线圈与副边线圈的距离越小则原边线圈与副边线圈的耦合性越好；

步骤2：测量逆变器输出的交流电的输出频率，调整第一T型结构、收发模块以及第二T型结构的器件参数使电路谐振频率与所述交流电的输出频率一致；

步骤3：通过调整逆变器输入直流电压与整流器的输出电压调整电路的输出功率。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：调整第一T型结构和第二T型结构的器件参数值，计算公式如下：

$L_{t1}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t2}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_{t3}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t4}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

式中，L_t1表示第一T型电感Lt1的电感值，L_t2为第二T型电感Lt2的电感值，C_t1为第一T型电容Ct1的电容值，L_t3为第三T型电感Lt3的电感值，L_t4为第四T型电感Lt4的电感值，C_t2为第二T型电容Ct2的电容值，ω₀为逆变器的交流电输出频率；

步骤2.2：调整收发模块的器件参数，计算公式如下：

$L_1\·C_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_2\·C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L₁＝L₂,C₁＝C₂

式中：L₁为原边线圈的电感值，C₁为第一补偿电容的电容值，L₂为副边线圈的电感值，C₂为第二补偿电容的电容值；

步骤2.3：根据步骤2.1和步骤2.2，进行器件参数的最终设定，计算公式如下：

$(L_1+L_{t2})\·(\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_{t1}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$(L_2+L_{t3})\·(\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_{t2}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L_t2＝L_t3。

优选地，所述步骤3中电路的输出功率的计算公式如下：

$P=\frac{\sqrt{(L_1+L_{t_2}).(L_2+L_{t3})}}{{\mathrm{\ω}}_0\·L_{t1}\·L_{t4}}\·k\·U_{in}\·U_b$

式中：P为系统输出功率，k为原边线圈L1和副边线圈L2之间的耦合系数，U_in为逆变器的输入直流电压，U_b为连接整流器输出端的电池电压。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的无线电能传输系统中初级侧和次级侧回路的谐振频率与线圈之间的距离无关、与负载的情况无关；原边线圈的电流和次级侧输出的电流不随负载变化，在负载一定的情况下可保持恒定，实现了功率传输稳定的特性。

2、本发明中引入的导抗变换器可以很好的解决传输功率等级以及功率传输的稳定性问题，通过参数的匹配，可以实现谐振频率与负载、线圈的距离无关等特性，同时效率也比较高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的用于无线电能传输的双侧T-S补偿网络拓扑结构示意图；

图2为无线电能传输系统的结构框图；

图3为初级侧T型结构；

图4为次级侧T型结构；

图中：

101-原边线圈；

102-副边线圈；

103-整流器；

104-逆变器；

105-第一T型结构；

106-第二T型结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

具体地，如图1所示，包括：初级侧回路和次级侧回路；

所述初级侧回路包括：原边线圈L₁，L₁的第一端与第一补偿电容C₁的第二端连接，L₁的第二端与第一T型电容C_t1的第一端连接，电容C_t1的第二端与第一T型电感L_t1的第二端和第二T型电感L_t2的第一端连接，形成一个T型结构，电容C₁和原边线圈L₁串联在一起，T型结构串联在电压源和原边线圈中间；

所述次级侧回路包括：副边线圈L₂，L₂的第一端与第二电容C₂的第二端连接，L₂的第二端与第二T型电容C_t2的第一端连接，电容C_t2的第二端与第三T型电感L_t3的第二端和第四T型电感L_t4的第一端连接，形成一个T型结构，电容C₂和副边线圈L₂串联在一起，T型结构串联在电池和副边线圈中间；

上述为初级侧回路和次级侧回路构成无线电能传输系统的双侧T-S补偿网络拓扑结构，此外，还包括：

将直流电源转化为高频交流电的逆变器104以及将高频交流电转化为直流电的整流器103；直流电源与逆变器104连接，逆变器104与T型结构连接，T型结构与第一补偿电容和原边线圈形成的串联结构连接；副边线圈和第二补偿电容形成的串联结构连接后与T型结构的第一端连接，T型结构的第二端与整流器103连接。

逆变器104由4个mosfet开关组成(S1、S2、S3、S4)，S1和S2的第一端与直流电源的正极连接，S3和S4的第二端与直流电源的负极连接，S1和S2的第二端分别与S3和S4的第一端连接，同时第一T型电感L_t1的第一端和S1的第二端连接，第一T型电容C_t1的第二端和S4的第一端连接；

整流器103由4个快速恢复二极管组成(D1、D2、D3、D4)，D1和D3的正极分别连接D2和D4的负极，同时D1的正极与第四T型电感的第二端连接，D1和D3的负极连接在一起，D2和D4的正极连接在一起，同时D4的负极与第二T型电容的第二端连接在一起，D3和D2的负极和正极与滤波电容C_O的第二端和滤波电感L₀的第一端连接，滤波电容C_O的第一端和第二端与滤波电感L₀的第一端连接和电池的负极连接，滤波电感的第二端与电池的正极连接。

本发明还公开了一种用于无线电能传输系统的双侧T-S型补偿网络拓扑结构的参数匹配方法，包括如下步骤：

步骤1：发射线圈(原边线圈)和接收线圈(副边线圈)之间的距离尽量比较小，能量由发射线圈向接收线圈传递；

步骤2：直流电源经逆变器104输出频率为ω₀的高频交流电，初级侧电路的谐振频率和次级侧的谐振频率应该都为ω₀；

步骤3：T型结构的谐振关系应为

$L_{t1}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t2}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_{t3}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t4}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中，L_t1为第一T型电感，L_t2为第二T型电感，C_t1为第一T型电容，L_t3为第三T型电感，L_t4为第四T型电感，C_t2为第二T型电容，ω₀为工作频率；

步骤4：两个主线圈的参数应为

$L_1\·C_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_2\·C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L₁＝L₂,C₁＝C₂

其中，L₁为原边线圈，C₁为第一补偿电容，L₂为副边线圈，C₂为第二补偿电容，ω₀为工作频率；

步骤5：根据步骤3和步骤4，进行系统参数的最终设定

$(L_1+L_{t2})\·(\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_{t1}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$(L_2+L_{t3})\·(\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_{t2}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L_t2＝L_t3

可以看出，谐振频率ω₀在电感值和电容值都保持恒定，与线圈距离和负载无关；

步骤6：输出功率可通过控制输入电压U₁和输出电压U_b来调节，或者任何形式的等效改变U₁和U_b的方法来调节输出功率：

$P=\frac{\sqrt{(L_1+L_{t_2}).(L_2+L_{t3})}}{{\mathrm{\ω}}_0\·L_{t1}\·L_{t4}}\·k\·U_{in}\·U_b$

其中，P为系统输出功率，k为原边线圈L1和副边线圈L2之间的耦合系数，U_in为逆变器104的输入直流电压，U_b为连接整流器103后的电池电压；

此外，本发明中的T型结构，是由两个电感和一个电容组成，第一个电感的第二端、第二个电感的第一端、电容的第一端这三个端点连接在一起，形成一个T型结构，其参数匹配方法为：

步骤S1：初级侧T型回路

$X_1={\mathrm{j\ωL}}_{t1},X_2={\mathrm{j\ωL}}_{t2},X_3=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{t1}}$

X₁＝X₂＝-X₃

$I_2=\frac{V_1}{j\·Z_0},V_2=j\·Z_0\·I_1$

其中，X₁为L_t1的阻抗，X₂为L_t2的阻抗，X₃为C_t1的阻抗，V₁为T型结构的输入电压，V₂为T型结构的输出电压，I₁为T型结构的输入电流，I₂为T型结构的输出电流，Z₀为T型结构的阻抗

从公式中可以看到T型结构的两个电感值相等，电容的阻抗和电感的阻抗相等，T型结构可以将电压源转换为稳定的电流源，这为初级线圈进行能量的传输提供了有利的条件；

步骤S2：次级侧T型回路

$X_4={\mathrm{j\ωL}}_{t3},X_5={\mathrm{j\ωL}}_{t4},X_6=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{t2}}$

X₄＝X₅＝-X₆

$I_4=\frac{V_3}{j\·Z_0},V_4=j\·Z_0\·I_3$

其中，X₄为L_t3的阻抗，X₅为L_t4的阻抗，X₆为C_t2的阻抗，V₃为T型结构的输入电压，V₄为T型结构的输出电压，I₃为T型结构的输入电流，I₄为T型结构的输出电流，Z₀为T型结构的阻抗

从公式中可以看到T型结构的两个电感值相等，电容的阻抗和电感的阻抗相等，T型结构可以将电压源转换为稳定的电流源，这为电池的充电提供了有利的条件；

上述一种用于无线电能传输系统的双侧T-S型补偿网络拓扑结构的特点还包括：

$I_1=\frac{U_{inv}}{{\mathrm{j\ω}}_0{L}_{t1}}$

$I_{Lt4}=\frac{k\·\sqrt{(L_1+L_{t2})(L_2+L_{t3})}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{t1}{L}_{t4}}{U}_{inv}$

其中，I₁是原边线圈中的电流，是第四T型电感上的电流，即输出电流，U_inv是逆变器104输出电压；

可以看出，原边线圈的电流不随负载变化，保持恒定，输出电流也不随负载变化，保持恒定，若想增大这两个电流只有增加逆变器104输出电压U_inv。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，包括：依次相连的逆变器(104)、第一T型结构(105)、收发模块、第二T型结构(106)以及整流器(103)；

所述逆变器连接至直流电源输出端，用于将直流电逆变为高频交流电后传输给第一T型结构；

所述第一T型结构(105)，用于获得稳定的电流，并稳定发送端的传输功率；

所述收发模块，用于以无线方式将逆变的交流电传输至第二T型结构；

所述第二T型结构(106)，用于获得稳定的电流，并稳定接收端的传输功率；

所述整流器，用于对接收端的交流电进行整流处理，输出相应的直流电。

2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，所述收发模块包括：原边线圈(101)、副边线圈(102)、第一补偿电容C1、第二补偿电容C2，所述原边线圈(101)与副边线圈(102)之间留有间隙，所述间隙的距离越小，则收发模块的传输效率越高；所述原边线圈(101)的一端连接至第一补偿电容C1的一端，所述第一补偿电容C1的另一端构成所述收发模块的第一输入端；所述原边线圈(101)的另一端构成所述收发模块的第二输入端；所述副边线圈(102)的一端连接至第二补偿电容C2的一端，所述第二补偿电容C2的另一端构成所述收发模块的第一输出端；所述副边线圈(102)的另一端构成所述收发模块的第二输出端。

3.根据权利要求1或2所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，所述第一T型结构(105)包括：电感Lt1、电感Lt2以及电容Ct1，所述电感Lt1的一端构成所述第一T型结构(105)的第一输入端，所述电感Lt1的另一端分别连接至电感Lt2的一端、电容Ct1的一端；所述电感Lt2的另一端连接至收发模块的第一输入端，所述电容Ct1的另一端连接至收发模块的第二输入端。

4.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，所述第二T型结构(106)包括：电感Lt3、电感Lt4以及电容Ct2，所述电感Lt4的一端构成所述第二T型结构(105)的第一输出端，所述电感Lt3的另一端分别连接至电感Lt4的一端、电容Ct2的一端；所述电感Lt3的另一端连接至收发模块的第一输出端，所述电容Ct2的另一端连接至收发模块的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，所述逆变器(104)包括：开关S1、开关S2、开关S3、开关S4，开关S1的一端和开关S3的一端相连且构成直流电源的正输入端，开关S2的一端和开关S4的一端相连且构成直流电源的负输入端，开关S1的另一端与开关S2的另一端相连，开关S3的另一端与开关S4的另一端相连，其中：开关S1的另一端还连接至第一T型结构的第一输入端，开关S3的另一端还连接至收发模块的第二输入端。

6.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑，其特征在于，所述整流器(103)包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L0、电容L0，电感L0的一端分别连接至二极管D1的负极、二极管D3的负极、电容C0的一端，电容C0的另一端分别连接至二极管D2的正极、二极管D4的正极，所述电感L0的另一端构成所述整流器(103)的正电压输出端连接至电池的正极，所述电容C0的另一端构成所述整流器(103)的负电压输出端连接至电池的负极；二极管D1的正极与二级管D2的负极相连，二极管D3的正极与二级管D4的负极相连，且二极管D1的正极连接至第二T型结构的第一输出端，二极管D3的正极连接至收发模块的第二输出端。

7.一种用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑的参数匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制原边线圈与副边线圈的距离，使原边线圈侧的电能通过耦合作用传输至副边线圈侧，原边线圈与副边线圈的距离越小则原边线圈与副边线圈的耦合性越好；

步骤2：测量逆变器(104)输出的交流电的输出频率，调整第一T型结构、收发模块以及第二T型结构的器件参数使电路谐振频率与所述交流电的输出频率一致；

步骤3：通过调整逆变器(104)输入直流电压与整流器(103)的输出电压调整电路的输出功率。

8.根据权利要求7所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑的参数匹配方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：调整第一T型结构和第二T型结构的器件参数值，计算公式如下：

$L_{t1}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t2}\·C_{t1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_{t3}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2},L_{t4}\·C_{t2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

式中，L_t1表示第一T型电感Lt1的电感值，L_t2为第二T型电感Lt2的电感值，C_t1为第一T型电容Ct1的电容值，L_t3为第三T型电感Lt3的电感值，L_t4为第四T型电感Lt4的电感值，C_t2为第二T型电容Ct2的电容值，ω₀为逆变器(104)的交流电输出频率；

步骤2.2：调整收发模块的器件参数，计算公式如下：

$L_1\·C_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$L_2\·C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L₁＝L₂,C₁＝C₂

式中：L₁为原边线圈的电感值，C₁为第一补偿电容的电容值，L₂为副边线圈的电感值，C₂为第二补偿电容的电容值；

步骤2.3：根据步骤2.1和步骤2.2，进行器件参数的最终设定，计算公式如下：

$(L_1+L_{t2})\·(\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_{t1}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$(L_2+L_{t3})\·(\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_{t2}})=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

L_t2＝L_t3。

9.根据权利要求7所述的用于无线电能传输的双侧T-S补偿拓扑的参数匹配方法，其特征在于，所述步骤3中电路的输出功率的计算公式如下：

$P=\frac{\sqrt{(L_1+L_{t_2}).(L_2+L_{t3})}}{{\mathrm{\ω}}_0\·L_{t1}\·L_{t4}}\·k\·U_{in}\·U_b$

式中：P为系统输出功率，k为原边线圈L1和副边线圈L2之间的耦合系数，U_in为逆变器(104)的输入直流电压，U_b为连接整流器(103)输出端的电池电压。