CN107769571A - 一种双clc结构电场式无线传输系统及其优化方法 - Google Patents

一种双clc结构电场式无线传输系统及其优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双CLC结构电场式无线传输系统，包括依次连接的直流电源、高频逆变器、第一CLC结构N1、谐振电路N2、第二CLC结构N3、整流器和负载；所述第一CLC结构N1由电容CP、电容CPM和电感LP组成，谐振电路N2由电感LM和电容CLM串联组成，第二CLC结构N3由电容CS、电容CSM和电感LS组成。还公开了一种双CLC结构电场式无线传输系统的优化方法。本发明的有益效果在于，提出一种等效的双CLC结构，将一个较小的电容拆分为三个较大的串联电容，有效的减小了补偿电感值。同时，针对大功率系统，本发明提出了补偿元件电压优化方法以降低元件被击穿的风险并降低元件制作成本。

Description

一种双CLC结构电场式无线传输系统及其优化方法
技术领域
本发明涉及电场耦合无线电能传输领域，特别是一种双CLC结构电场式无线传输系统及其优化方法。
背景技术
无线电能传输技术使得电气设备摆脱了电线的束缚，避免电线在接触时产生磨损和打火等现象，增加了电气设备的安全性和可靠性，同时解决了在一些场合下无法使用电线进行电气连接的问题。无线电能传输技术广泛应用于工业自动化生产、电动交通工具、植入式医疗器械、家用电器及消费类电子产品中。
无线电能传输技术可分为磁场耦合和电场耦合两大类，目前，国内外的研究主要集中于磁场耦合方式。虽然磁耦合无线传能技术已经比较成熟，但该方式存在一些不可避免的弊端，比如：传能线圈成本较高、占用的空间体积大、泄露的磁场在周围的金属物上产生涡流电流，引起传输功率和效率的降低等等。随着系统成本的降低和性能的提高，电场耦合作为一种与磁场耦合对偶的工作方式受到人们广泛关注。其独特的优势在于：耦合结构为一对极板，占用体积小且廉价；电场不会在周围金属物体上产生损耗，所以不需要屏蔽电场。由此可见，电场式无线电能传输技术发展前景广阔，但仍然存在一些暨需解决的问题。电场式无线电能传输的关键在于耦合机构和补偿谐振网络的结构，传统的串联补偿或LCL结构补偿能够提高系统的传输能力。但对于远距离传输，由于系统耦合电容小，需要在高频下进行能量传输，使得与之谐振的电感也非常大，提高了制作成本。同时，较高的频率会导致无源谐振元件承受较大电压，在功率等级提升后这个问题更加显著。特别是系统达到最大功率点时，过大的电压可能会击穿元件，导致系统失去稳定性，引发安全问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种双CLC结构电场式无线传输系统及其优化方法。
实现本发明目的是技术方案如下：
一种双CLC结构电场式无线传输系统，包括依次连接的直流电源、高频逆变器、第一CLC结构N1、谐振电路N2、第二CLC结构N3、整流器和负载；所述第一CLC结构N1由电容CP、电容CPM和电感LP组成，谐振电路N2由电感LM和电容CLM串联组成，第二CLC结构N3由电容CS、电容CSM和电感LS组成。
一种双CLC结构电场式无线传输系统的优化方法，包括步骤：
S1：搭建电场式无线电能传输系统模型；
S2：建立所述电场式无线电能传输系统模型的等效双CLC结构电路；
S3：引入比重系数γ和α，并用比重系数表示谐振补偿元件参数值；
S4：计算系统输入、输出电压目标值表示的系统参数值；
S5：计算谐振补偿元件上的电压值，所述电压值与比重系数γ相关；
S6：确定γ值，每个γ值对应一组电压，选取每组电压中的最大值作为纵坐标，γ值作为横坐标作图，图中最低点对应的γ值为系统的优化标准；
S7：根据确定的γ值计算电路中谐振补偿元件的参数。
本发明的有益效果在于，提出一种等效的双CLC结构，将一个较小的电容拆分为三个较大的串联电容，有效的减小了补偿电感值。同时，针对大功率系统，本发明提出了补偿元件电压优化方法以降低元件被击穿的风险并降低元件制作成本。
附图说明
图1是本发明双CLC结构电场式无线传输系统结构示意图；
图2是本发明中优化方法的流程图；
图3是CPT系统结构示意图；
图4是将CPT系统等效为双CLC电路后的结构示意图；
图5是CLC等效阻抗图；
图6是每组元件电压最大值与γ的关系曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种双CLC结构电场式无线传输系统，包括依次连接的直流电源、高频逆变器、第一CLC结构N1、谐振电路N2、第二CLC结构N3、整流器和负载；所述第一CLC结构N1由电容CP、电容CPM和电感LP组成，谐振电路N2由电感LM和电容CLM串联组成，第二CLC结构N3由电容CS、电容CSM和电感LS组成。图中Cr为滤波电容。
如图2所示，本发明提供的应用于电场耦合无线电能传输系统中的双CLC结构及元件电压优化方案的步骤如下：
S1：搭建电场式无线电能传输系统模型。
S2：建立所述的电场式无线电能传输系统的等效双CLC电路模型；
S3：引入比重系数γ和α，并用比重系数表示谐振补偿元件参数值；
S4：再计算系统输入输出电压目标值表示的系统参数值；
S5：计算谐振补偿元件上的电压值；
S6：γ，每个γ值对应一组电压，选取每组电压中的最大值作为纵坐标，γ值作为横坐标作图，图中最低点对应的γ值为系统的优化标准；
S7：根据S6中确定的γ值计算电路中谐振补偿元件的参数。
下面是结合附图进行的详细步骤说明：
如图3，电场式无线电能传输系统模型由依次连接的直流电源(Vbus)、高频逆变器(H)、CL阻抗变换电路(Z1，电容CP和电感LP组成)、极板等效电容(CEM)及其补偿电感(LM(1))、LC阻抗变换电路(Z2，电感LS和电容CS组成)、整流器(R)和负载(Rload)。其等效双CLC电路如图4，电路等效过程如下：
A、将原电路等效为双CLC电路，等效过程如下：
①直流电源(Vbus)和高频逆变器等效为有效值为(Vin)的交流电源。
②将两块极板的等效电容(CEM)拆分为(CPM)、(CLM)、(CSM)三个电容，电容(CPM)和电容(CSM)分别与CL阻抗变换电路(Z1)和LC阻抗变换电路(Z2)构成CLC结构(N1)和(N3)，电容(CLM)与补偿电感(LM)构成谐振电路(N2)，整流器(R)和负载(Rload)等效为阻抗(RO)，等效阻抗(RO)上的交流电压(Vo)。
③在分配两块极板的等效电容(CEM)时，定义两个比重系数γ和α(0＜γ＜1)、(0＜α＜1)，按下式规则进行拆分：
又由LP与CPM在频率ω下谐振，CP与CPM的值相等；同样，LS与CSM在频率ω下谐振，CS与CSM的值相等,可得到LP、CP、LS、CS的值如下：
B、根据A中所述的电路结构，现对CLC电路进行简化和分析，阻抗变换过程如图5。以网络(N3)为例，设网络(N3)左端输入电压为(VS),负载(RO)上的电压为(V0)，计算CLC电路的等效阻抗(ZS)为：
若不计损耗，由输入功率等于输出功率且等于P，求得CLC网络的输出电压与输入电压的比值(GS)为：
由公式(4)知QS与1作比较时，CLC网络既可作为升压变压器又可作为降压变压器，同理可得出：
C、设采用全桥逆变电路和全桥整流电路，则(Vbus)和(Vin)、(Vo)和(Vbat)的关系如下：
将(7)、(8)代入(6)可得：
将(9)代入(2)有：
对谐振补偿元件上的电压进行计算有：
式(11)中P0表示设定的系统传输的有功功率。每个γ值对应了一组元件电压值UCP、ULP、ULM、UCEM、ULS、UCS，从中选出最大值。每组最大值作为纵坐标，γ作为横坐标(0＜γ＜1)，作出Umax-γ的曲线图，如图6。从图中找出曲线最低点对应的γ值，用该值计算出的元件参数值即为最优值。

Claims (2)

1.一种双CLC结构电场式无线传输系统，其特征在于，包括依次连接的直流电源、高频逆变器、第一CLC结构N1、谐振电路N2、第二CLC结构N3、整流器和负载；所述第一CLC结构N1由电容CP、电容CPM和电感LP组成，谐振电路N2由电感LM和电容CLM串联组成，第二CLC结构N3由电容CS、电容CSM和电感LS组成。
2.一种双CLC结构电场式无线传输系统的优化方法，其特征在于，包括步骤：
S1：搭建电场式无线电能传输系统模型；
S2：建立所述电场式无线电能传输系统模型的等效双CLC结构电路；
S3：引入比重系数γ和α，并用比重系数表示谐振补偿元件参数值；
S4：计算系统输入、输出电压目标值表示的系统参数值；
S5：计算谐振补偿元件上的电压值，所述电压值与比重系数γ相关；
S6：确定γ值，每个γ值对应一组电压，选取每组电压中的最大值作为纵坐标，γ值作为横坐标作图，图中最低点对应的γ值为系统的优化标准；
S7：根据确定的γ值计算电路中谐振补偿元件的参数。
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