CN106953423A - 具有恒压输出特性的双侧lc补偿ecpt系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，首先构建双侧LC补偿ECPT系统，根据实际应用需求确定功率因数临界值和输出电压范围；接着确定系统工作频率、直流输入电压、耦合单元的等效电容范围和负载电阻范围；然后计算电感比值和电感L₁的临界值；接着根据谐振条件和电感比值k计算参数C₁，L₂和C₂；判断耦合机构在C_s±ΔC_s范围内是否满足功率因数约束条件，如果否，则增大比值k进行调节；然后判定L₂的等效串联电阻是否满足约束条件，如果否，则增大频率f进行调节，最后得到满足条件的系统参数。该系统解决了系统负载和耦合距离在一定范围内发生变化时，系统输出电压不稳定的问题，使得系统在具有恒压输出特性的同时保证较高的功率因数。

Description

具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术借助磁场、电场、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无线传输，彻底摆脱了导体连接的束缚，从而具有灵活、便捷、安全等优点。作为一种电能柔性接入与传输方式，它拥有广阔的的市场前景和科学研究价值，正日益引起各方高度重视。其中，电场耦合式无线电能传输(Electric-fieldCoupled Power Transfer,ECPT)技术采用高频电场作为载体实现电能的无线传输。从目前取得的研究成果可以看出ECPT系统具有以下特性：耦合机构简易轻薄并且形状易变、成本低；在工作状态中电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；尤其是当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。由于具备上述优点，有关ECPT技术在LED、无线鼠标、移动机器人以及电动汽车充电等领域的应用已经取得了一定的研究成果，也吸引了越来越多的国内外专家学者投入到这项新技术的研究之中。

在ECPT系统的工程应用中，有些用电设备需要ECPT系统具有恒压输出特性，尤其是在负载变化和耦合条件变化时能保证输出电压基本恒定。例如电动汽车无线充电系统，要求在耦合机构相对位置发生改变时，输出电压保持稳定；另外负载在随充电过程发生变化时，也需要保持输出电压基本不变。而关于ECPT系统的输出稳压问题，通常的解决方法是通过能量注入控制或附加DC/DC电路控制。然而，这会增加系统复杂度，并且应用存在局限。

发明内容

本申请通过提供一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，以解决ECPT系统负载和耦合极板等效电容发生变化时输出电压不稳定的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，包括如下步骤：

S1：构建双侧LC补偿ECPT系统，包括直流电源、高频逆变电路、由谐振电感L₁和谐振电容C₁构成的原边LC谐振网络、由两对耦合极板构成的耦合单元、由谐振电感L₂和谐振电容C₂构成的副边LC谐振网络、整流滤波电路以及负载R_L，其中，所述谐振电感L₁的一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L₁的另一端连接一块发射极板以及所述谐振电容C₁的一端，所述谐振电容C₁的另一端连接所述高频逆变电路的第二输出端以及另一块发射极板，所述谐振电感L₂的一端连接一块接收极板以及所述谐振电容C₂，所述谐振电感L₂的另一端连接所述整流滤波电路的第一输入端，所述谐振电容C₂的另一端连接另一块接收极板以及所述整流滤波电路的第二输入端，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，根据实际应用需求确定功率因数临界值和输出电压及允许变化范围U_R±ΔU_R；

S2：根据工程经验和实际应用需求确定系统工作频率f、直流输入电压U_d、耦合单元的等效电容及允许变化范围C_s±ΔC_s、交流负载电阻及允许变化范围R_e±ΔR_e；

S3：计算电感比值也即电压增益k，

S4：计算L₁的临界值L_1min；

S5：根据谐振条件和电感比值k计算参数C₁，L₂和C₂；

S6：判断耦合机构在C_s±ΔC_s范围内是否满足功率因数约束条件，即判断功率因数是否大于临界值如果是，则进入步骤S7，否则，增大比值k跳转至步骤S4；

S7：判定L₂的等效串联电阻是否满足约束条件，如果否，则增大频率f跳转至步骤S3，否则，则得到满足条件的系统参数。

进一步地，步骤S4中原边LC谐振网络的谐振电感L₁和谐振电容C₁满足谐振关系为ω²L₁C₁＝1，副边LC谐振网络的谐振电感L₂和谐振电容C₂满足谐振关系为ω²L₂C₂＝1。

进一步地，步骤S4中按照以下公式计算L₁的临界值L_1min：

系统总阻抗：

令

其中，ω为系统角频率，R_e为交流电阻，R_Cs为耦合机构的等效串联电阻，则系统总阻抗：

则系统功率因数：

L₁、C₁和L₂、C₂满足谐振关系，即ω²L₁C₁＝1，ω²L₂C₂＝1；并且谐振电感比值为系统电压增益k，即k＝L₂/L₁。则根据功率因数临界值可得：

则L₁的临界值L_1min为：

其中，式中为功率因数临界值；

进一步地，所述步骤7的约束条件为：

式中，R_L2为谐振电感L₂的等效串联电阻，R_e±ΔR_e为交流负载电阻范围，U_R为输出电压，ΔU_R为输出电压变化范围。

进一步地，为了降低系统的高频损耗，所述谐振电感L₁和所述谐振电感L₂采用铁粉磁芯和利兹线，所述谐振电容C₁和所述谐振电容C₂为云母电容。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该参数设计方法使得ECPT系统在传输距离和负载电阻在一定变化范围内，系统具有恒压输出特性，同时具有较高的功率因数。

附图说明

图1为双侧LC补偿ECPT系统结构框图；

图2为双侧LC补偿ECPT系统电路图；

图3为双侧LC补偿ECPT系统等效电路图；

图4为功率因数随负载变化曲线图；

图5为参数设计方法流程图；

图6为逆变输出电流和电压仿真波形图；

图7为负载电阻电压波形图；

图8为逆变输出电压与电流实验波形图；

图9为负载电阻切换的输出电压波形图；

图10为耦合电容变化的输出电压波形图；

图11为不同负载电阻和耦合电容下输出电压的变化图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，以解决ECPT系统负载和耦合极板等效电容发生变化时输出电压不稳定的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

首先，构建具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统，图1为系统的结构框图，包括直流电源、高频逆变电路、由谐振电感L₁和谐振电容C₁构成的原边LC谐振网络、由两对耦合极板构成的耦合单元、由谐振电感L₂和谐振电容C₂构成的副边LC谐振网络、整流滤波电路以及负载R_L，其中，所述谐振电感L₁的一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L₁的另一端连接一块发射极板以及所述谐振电容C₁的一端，所述谐振电容C₁的另一端连接所述高频逆变电路的第二输出端以及另一块发射极板，所述谐振电感L₂的一端连接一块接收极板以及所述谐振电容C₂，所述谐振电感L₂的另一端连接所述整流滤波电路的第一输入端，所述谐振电容C₂的另一端连接另一块接收极板以及所述整流滤波电路的第二输入端，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输。

直流输入电压经全桥逆变电路转变为高频交变电压，交流电压经由原边LC谐振网络后作用于发射端耦合极板，在高频交流电的作用下，原、副边的耦合极板间会形成交互电场，从而使耦合极板间产生“位移电流”，实现电能的无线传输，再由副边LC谐振网络后供给交流负载。原边LC谐振网络还在一定程度上起到补偿等效耦合电容的作用，副边LC谐振网络旨在进行阻抗匹配、提升传输效率。

图2为具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统的电路图，耦合机构的等效串联电容C_s＝C_s1C_s2/(C_s1+C_s2)，其等效串联电阻用R_Cs表示，整流滤波电路和负载的等效交流电阻用R_e表示，高频逆变器采用恒定驱动频率控制。

为了便于分析，采用基波分析法并假设所有的开关管都为理想开关，且忽略谐振电感和电容的寄生参数，则可以构建如图3所示的等效电路图。U_in为全桥逆变电路的输出电压，其基波分量的有效值为

由图3可得，各级网络阻抗Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅的表达式为：

根据基尔霍夫定律，系统的输出电压为：

令将式(2)带入式(3)，则有

当谐振电感L₁和谐振电容C₁满足谐振关系，且谐振电感L₂和谐振电容C₂满足谐振关系时，即ω²L₁C₁＝1，ω²L₂C₂＝1时，将等式带入式(4)化简得：

令k＝L₂/L₁，则负载输出电压为：

据上式可知，在原边LC谐振网络和副边LC谐振网络满足谐振关系时，系统输出电压和输入电压相位差180°，并且输出电压是输入电压的k倍。k＝L₂/L₁，因此可以通过设定不同的电感比值来实现系统的不同电压增益。在忽略无功元件的串联电阻和满足谐振条件下，系统输出电压仅由电感比值和系统输入电压决定，即实现了负载和耦合电容在一定范围内变化时系统恒压输出。

在实际应用中，负载电阻变化会使得拾取电压发生细微变化，这是由于谐振电感L₂和交流负载电阻R_e直连，谐振电感的等效串联电阻R_L2会在一定层度上分压。则R_L2的拾取电压为：

要使得交流负载电阻在R_e±ΔR_e范围内变化，输出电压满足U_R±ΔU_R，则R_L2应该满足不等式：

根据全桥逆变器的基本工作特性、系统的功率因数和谐振关系，可以得到具有恒压输出的ECPT系统主要参数的计算表达式。根据图3，得到系统的总阻抗Z_in＝Z₅，当谐振电感L₁和谐振电容C₁满足谐振关系，且谐振电感L₂和谐振电容C₂满足谐振关系时。将式(2)的各级阻抗带入Z₅的表达式化简得：

令

则

由式(11)可知，系统输入阻抗为阻感性。系统在谐振电感L₁和谐振电容C₁满足谐振关系，且谐振电感L₂和谐振电容C₂满足谐振关系时，不能通过改变系统参数使得系统输入阻抗为纯阻性，所以需要合理地配置参数使得系统具有较高的功率因数。根据公式(10)和(11)，可以得到系统功率因数为：

L₁、C₁和L₂、C₂满足谐振关系，即ω²L₁C₁＝1，ω²L₂C₂＝1；并且谐振电感比值为系统电压增益k，即k＝L₂/L₁。则根据功率因数临界值可得：

则L₁的临界值L_1min为：(这个地方之前是L1)

其中，

由式(12)可知，功率因数和交流电阻R_e负相关，和等效串联电容C_s正相关，和频率f正相关。由式(13)可知，在固定功率因数下，电感L₁和频率f负相关。因此，在保证系统功率因数的情况下，应当尽可能避免恒压输出应用到轻载的环境中；同时在设计系统参数时，需要根据负载变化的上限来作为设计阈值。图4为工作频率f＝400kHz，L₁＝87.5μH，电感比值k＝1.6时，功率因数随负载电阻的变化图。由图4可知，负载电阻在10-50Ω变动时，系统能保证0.9以上的功率因数。

在具有恒压输出特性的ECPT系统中，系统在改变负载和耦合电容时，对系统输出电压影响不大，但是对系统功率因数影响较大。较低的功率因数会降低了电压质量，增加供电线路的损失，降低电设备的有效利用率。因此，需要根据系统应用的实际情况确定功率因数的临界条件

图5为系统主要参数设计方法流程图，具体包括如下步骤：

S1：构建具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统,根据实际应用需求确定功率因数临界值和输出电压及允许变化范围U_R±ΔU_R；

S2：根据工程经验和实际应用需求确定系统工作频率f、直流输入电压U_d、耦合单元的等效电容及允许变化范围C_s±ΔC_s、交流负载电阻及允许变化范围R_e±ΔR_e；

S3：计算电感比值也即电压增益k，

S4：计算L₁的临界值L_1min；

S5：根据谐振条件和电感比值k计算参数C₁，L₂和C₂；

S6：判断耦合机构在C_s±ΔC_s范围内是否满足功率因数约束条件，即判断功率因数是否大于临界值如果是，则进入步骤S7，否则，增大比值k跳转至步骤S4；

S7：判定L₂的等效串联电阻是否满足约束条件，如果否，则增大频率f跳转至步骤S3，否则，则得到满足条件的系统参数。

为了验证参数设计的有效性和系统输出恒压特性，根据图2所示的ECPT系统拓扑结构在MATLAB平台上构建系统的仿真模型。根据提出的参数设计方法得出一组仿真参数，具体的仿真参数取值见表1。图6所示为逆变器输出电压和电流的波形图，可见电压略微超前电流，系统呈感性且功率因数大于0.9。

表1仿真参数取值表

仿真模型，初始负载电阻为50Ω，初始等效耦合电容为300pF。第一次在4ms时刻将负载电阻由50Ω切换到40Ω，第二次在6ms时刻将耦合电容从300pF增加到600pF，第三次在8ms时刻将负载电阻由40Ω切换到30Ω、耦合电容从500pF增加到900pF。图7所示为负载电阻的电压波形，可见负载的输出电压基本保持在28.5V，系统输出电压在负载电阻变化和耦合电容变化时表现出一定的恒压特性。另外，直流输入电压是20V，它在基频率下的有效值约为18V，仿真中输出电压和逆变输出电压的比值约是1.58，这个和理论值1.6很接近。

下面进一步通过实验对系统参数设计方法的正确性和有效性进行验证。

实验采用的耦合机构由四块尺寸相同的19cm×19cm金属板构成，可获得700pF的等效耦合电容。为降低系统的高频损耗，谐振电容采用云母电容，C₁＝1.80nF，C₂＝1.14nF；电感磁芯为铁粉磁芯，L₁＝87.9μH，L₂＝140.8μH。系统稳态工作状态下逆变输出波形如图8所示，由图8可知电流略微滞后电压，这基本与仿真相吻合，能够保证系统的功率因数；负载拾取电压27.0V小于理论值28.8V，这主要是由于谐振电感L₂的等效串联电阻分压所致。负载电压滞后逆变输出电压约为180°。

在同样的耦合电容下，负载电压随负载电阻变化的实验波形如图9所示；在同样的负载电阻下，负载电压随耦合电容变化的实验波形如图10所示；负载电压在不同负载电阻和耦合电容的变化情况如图11所示。由图9可见，负载电阻从30Ω变化到50Ω时，输出电压波动了2V；这一方面是由于谐振电感L₂和交流负载R_e直连，L₂的等效串联电阻分压；另一方面是因为系统没有处于完全谐振的状态。由图10可见，耦合电容从720pF变化到360pF时，输出电压可以基本稳定。同时，系统的效率也保持在80％以上。

本申请的上述实施例中，通过提供一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，首先构建双侧LC补偿ECPT系统，根据实际应用需求确定功率因数临界值和输出电压及允许变化范围U_R±ΔU_R；根据工程经验和实际应用需求确定系统工作频率f、直流输入电压U_d、耦合单元的等效电容及允许变化范围C_s±ΔC_s、负载电阻及允许变化范围R_e±ΔR_e；计算电感比值也即电压增益k，计算L₁的临界值L_1min；根据谐振条件和电感比值k计算参数C₁，L₂和C₂；判断耦合机构在C_s±ΔC_s范围内是否满足功率因数约束条件，即判断功率因数是否大于临界值如果是，则进入步骤S7，否则，增大比值k跳转至步骤S4；判定L₂的等效串联电阻是否满足约束条件，如果否，则增大频率f跳转至步骤S3，否则，则得到满足条件的系统参数。该参数设计方法解决了系统负载电阻和传输距离发生变化时，系统输出电压不稳定的技术问题，使得系统在具有恒压输出特性的同时保证较高的功率因数。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建双侧LC补偿ECPT系统，包括直流电源、高频逆变电路、由谐振电感L₁和谐振电容C₁构成的原边LC谐振网络、由两对耦合极板构成的耦合单元、由谐振电感L₂和谐振电容C₂构成的副边LC谐振网络、整流滤波电路以及负载R_L，其中，所述谐振电感L₁的一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L₁的另一端连接一块发射极板以及所述谐振电容C₁的一端，所述谐振电容C₁的另一端连接所述高频逆变电路的第二输出端以及另一块发射极板，所述谐振电感L₂的一端连接一块接收极板以及所述谐振电容C₂，所述谐振电感L₂的另一端连接所述整流滤波电路的第一输入端，所述谐振电容C₂的另一端连接另一块接收极板以及所述整流滤波电路的第二输入端，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，根据实际应用需求确定功率因数临界值和输出电压及允许变化范围U_R±ΔU_R；

S2：根据工程经验和实际应用需求确定系统工作频率f、直流输入电压U_d、耦合单元的等效电容及允许变化范围C_s±ΔC_s、交流负载电阻及允许变化范围R_e±ΔR_e；

S3：计算电感比值也即电压增益k，

S4：计算L₁的临界值L_1min；

S5：根据谐振条件和电感比值k计算参数C₁，L₂和C₂；

S6：判断耦合机构在C_s±ΔC_s范围内是否满足功率因数约束条件，即判断功率因数是否大于临界值如果是，则进入步骤S7，否则，增大比值k跳转至步骤S4；

S7：判定L₂的等效串联电阻是否满足约束条件，如果否，则增大频率f跳转至步骤S3，否则，则得到满足条件的系统参数。

2.根据权利要求1所述的具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，原边LC谐振网络的谐振电感L₁和谐振电容C₁满足谐振关系为ω²L₁C₁＝1，副边LC谐振网络的谐振电感L₂和谐振电容C₂满足谐振关系为ω²L₂C₂＝1。

3.根据权利要求1所述的具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，步骤S4中按照以下公式计算L₁的临界值L_1min：

$L_{1\min }=\frac{-b+\sqrt{b^2-4ac}}{2a}$

其中，式中ω为基波角频率，k为电压增益也即电感比值，C_s为等效耦合电容，为功率因数临界值，R_e为整流滤波电路和负载的等效交流电阻，R_Cs为耦合电容等效串联电阻。

4.根据权利要求1所述的具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，步骤6中按照以下公式计算功率因数：

其中，式中

5.根据权利要求1所述的具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，所述步骤7的约束条件为：

$\left|\frac{1}{1+\frac{R_{L2}}{R_e\±{\mathrm{\ΔR}}_e}}-\frac{1}{1+\frac{R_{L2}}{R_e}}\right|U_R\≤{\mathrm{\ΔU}}_R$

式中，R_L2为谐振电感L₂的等效串联电阻，R_e±ΔR_e为交流负载电阻范围，U_R为输出电压，ΔU_R为输出电压变化范围。

6.根据权利要求1所述的具有恒压输出特性的双侧LC补偿ECPT系统参数设计方法，其特征在于，所述谐振电感L₁和所述谐振电感L₂采用铁粉磁芯和利兹线，所述谐振电容C₁和所述谐振电容C₂为云母电容。