CN107769573B - 双边lcc网络的wpt系统恒流恒压输出可调的参数设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域。该方法通过设置一组LCC补偿网络参数和输入电压值，在给定变压器参数情况下，无需改变电路结构和参数，调整不同的工作频率即可实现所需的恒流输出或恒压输出，满足电池充电需求，系统无论恒流输出还是恒压输出一直能够实现输入近似零无功功率，减小器件应力，同时实现开关器件软开关，提高传输效率，输出恒流或恒压可调，灵活性高，减少对变压器参数的依赖，避免后级变换器的二次调压或调流，简化系统结构，进一步提高效率。

Description

双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法
技术领域
本发明公开了双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域，适用电池充电场合以满足电池所需的先恒流后恒压要求。
背景技术
无线电能传输(WPT，Wireless Power Transmission)技术以电磁场为媒介进行能量传输，实现机械和电气的双隔离，在电动汽车、手机等电池充电场合获得广泛的应用。电池充电通常包括先恒流充电和后恒压充电两个阶段，因此无线充电系统需向电池提供其所需的恒流和恒压输出。
无线电能传输系统中采用的关键器件松耦合变压器，由于传输距离的存在，其耦合系数低且漏感值大，不可避免地在电路中产生无功环流，增加了器件应力和损耗，因此需要补偿其无功能量，一般采用电容、电感等无源器件来补偿变压器漏感产生的无功能量，同时，补偿电路亦改变了系统的传输特性。目前，补偿电路根据采用电感和电容的数量和连接方式可分为多种形式。总体而言，采用双边单电容的补偿结构，如：SS(串串)、SP(串并)、PS(并串)、PP(并并)，能在特定工作频率下实现与负载无关的恒流或者恒压输出，并且可以同时保证零无功能量或零输入相位角(Zero Phase Angle,ZPA)，但是输出的恒流值或者恒压值受制于变压器参数，在给定体积和位置的情况下，变压器参数可能无法满足负载需要的恒定电流充电要求或者恒压充电要求，而且每一种拓扑结构只能输出恒流或者恒压，无法同时兼顾。为满足电池先恒流后恒压的充电要求，有研究提出基于四种补偿结构的复合型拓扑结构，通过模式开关切换实现电路拓扑的切换，但需要增加额外的交流开关和驱动电路，增加了成本和损耗。为减少输出恒流和输出恒压对变压器参数的依赖，有研究提出高阶补偿网络，但高阶补偿网络仍然无法满足一种拓扑既可实现恒流输出又可实现恒压输出的要求。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，根据负载所需恒流及负载所需恒压设置一组LCC补偿网路参数和输入电压值，在给定变压器参数的情况下，无需改变电路结构和参数，调整系统工作频率即可实现所需的恒流输出和恒压输出，能够满足电池先恒流后恒压的充电需求，解决了现有无线电能传输系统在一组补偿网络参数下无法既可恒流输出又可恒压输出的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，
WPT系统包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感、原边串联补偿电容、原边并联补偿电容的原边LCC补偿网络、松耦合变压器、包含副边补偿电感、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容的副边LCC补偿网络、全桥整流滤波电路，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端与原边串联补偿电容的一极、原边并联补偿电容的一极相连接，原边串联补偿电容的另一极与松耦合变压器原边绕组的一端连接，松耦合变压器原边绕组的另一端、原边并联补偿电容的另一极均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接，松耦合变压器副边绕组的一端与副边串联补偿电容的一极连接，副边串联补偿电容的另一极与副边并联补偿电容的一极、副边补偿电感的一端相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，松耦合变压器副边绕组的另一端、副边并联补偿电容的另一极均与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点相连接，松耦合变压器原边绕组与原边串联补偿电容相连的一端、松耦合变压器副边绕组与副边串联补偿电容相连的一端互为同名端；
参数设置方法根据负载所需恒流及负载所需恒压确定双边LCC补偿网络的参数及高频全桥逆变电路输入端的直流电压，具体包括两个方案：
方案一：在保证负载所需恒流的前提下，确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：再由系统工作于负载所需恒流的频率ωcc确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2， 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照：配置，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
方案二：在保证负载所需恒流的前提下，确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：再由系统工作于负载所需恒流的频率ωcc确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2， 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照配置，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
其中，k为松耦合变压器的耦合系数，LP、LS分别为松耦合变压器的原边自感、副边自感，Io、Vo分别为负载所需恒流、负载所需恒压，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
作为双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法的进一步优选方案，选用方案一确定的双边LCC补偿网络的参数时，系统输出负载所需恒流时的输入阻抗ZINcc为：系统输出负载所需恒压时的输入阻抗ZINcv为：RL为电池负载的等效电阻。
作为双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法的进一步优化方案，选用方案二确定的双边LCC补偿网络的参数时，系统输出负载所需恒流时的输入阻抗ZINcc为：系统输出负载所需恒压时的输入阻抗ZINcv为：RL为电池负载的等效电阻。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种基于双边LCC补偿的无线电能传输系统恒流恒压输出的参数设置方法，通过设置一组LCC补偿网络参数和输入电压值，可在给定变压器参数情况下，无需改变电路结构和参数，调整不同的工作频率即可实现所需的恒流或恒压输出，满足电池充电需求，解决目前大部分拓扑在一组参数下只能输出恒流或者恒压的问题；
(2)采用本发明设计的参数设置方法，WPT系统无论恒流输出还是恒压输出都能实现输入近似零无功功率，减小器件应力，同时实现开关器件的软开关，提高传输效率；
(3)输出恒流或恒压可调，灵活性高，减少对变压器参数的依赖，避免后级变换器的二次调压或调流，简化系统结构，进一步提高效率。
附图说明
图1是基于双边LCC补偿的可调恒流恒压输出的无线电能传输系统的拓扑结构；
图2(a)、图2(b)是整流前后的电流和电压波形图；
图3是输出1A恒流且负载电阻为12Ω时的vGS1、vAB、iIN和Io波形；
图4是输出1A恒流且负载电阻为24Ω时的vGS1、vAB、iIN和Io波形；
图5是输出24V恒压且负载电阻为24Ω时的vGS1、vAB、iIN和Vo波形；
图6是输出24V恒压且负载电阻为48Ω时的vGS1、vAB、iIN和Vo波形；
图7(a)是系统在负载为24Ω时从恒流模式切换到恒压模式的瞬间的vsignal、IIN、VIN波形，图7(b)为是系统在负载为24Ω时从恒流模式切换到恒压模式的瞬间输出电压和瞬间输出电流的波形。
图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边LCC补偿网络，3为松耦合变压器，4为副边LCC补偿网络，5为全桥整流滤波电路、6为电池负载，Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管，L1为原边补偿电感、CP1为原边并联补偿电容、CP2为原边串联补偿电容、L2为副边补偿电感、CS1为副边并联补偿电容、CS2为副边串联补偿电容，D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管，Cf为输出滤波电容，RL为电池负载的等效电阻。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本申请针对现有WPT系统在一组补偿网络参数下不能同时兼顾恒流输出和恒压输出的问题，对一种双边LCC补偿网络的无线电能传输系统进行研究，发现其在一组LCC补偿网络参数设计下，同一个拓扑具有多个与负载无关的恒流频率点和恒压频率点，且均可以实现输入ZPA。因此，本发明旨在给出一种灵活调节无线电能传输系统恒流恒压输出的参数配置方法，通过切换工作频率点实现恒流和恒压的切换。
基于双边LCC补偿的恒流恒压输出可调的无线电能传输系统，如图1所示，包括：高频全桥逆变电路1、原边LCC补偿网络2、松耦合变压器3、副边LCC补偿网络4、全桥整流滤波电路5。高频全桥逆变电路1包括第一功率管Q1、第三功率管Q3串联组成的一桥臂和第二功率管Q2、第四功率管Q4串联组成的另一桥臂。原边LCC补偿网络2包含：原边补偿电感L1、原边串联补偿电容CP2、原边并联补偿电容CP1。副边LCC补偿网络4包含：副边补偿电感L2、副边串联补偿电容CS2、副边并联补偿电容CS1。全桥整流滤波电路5包括第一二极管D1、第三二极管D3串联组成的一桥臂和第二二极管D2、第四二极管D4串联组成的另一桥臂。原边补偿电感L1的一端与高频第一功率管Q1、第三功率管Q3串联组成桥臂的中点A连接，原边补偿电感L1的另一端与原边串联补偿电容CP2的一极、原边并联补偿电容CP1的一极相连接，原边串联补偿电容CP2的另一极与松耦合变压器3原边绕组的一端连接，松耦合变压器3原边绕组的另一端、原边并联补偿电容CP1的另一极均与第二功率管Q2、第四功率管Q4串联组成桥臂的中点B相连接，松耦合变压器3副边绕组的一端与副边串联补偿电容CS2的一极连接，副边串联补偿电容CS2的另一极与副边并联补偿电容CS1的一极、副边补偿电感L2的一端相连接，副边补偿电感L2的另一端与第一二极管D1、第三二极管D3串联组成的桥臂的中点连接，松耦合变压器3副边绕组的另一端、副边并联补偿电容CS1的另一极均与第二二极管D2、第四二极管D4串联组成的桥臂的中点相连接，全桥整流滤波电路5的输出端并接有输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf后并接电池负载6，松耦合变压器3原边绕组与原边串联补偿电容CP2相连的一端、松耦合变压器3副边绕组与副边串联补偿电容CS2相连的一端互为同名端。
给定松耦合变压器参数，其中，LP为松耦合变压器原边自感，LS为松耦合变压器副边自感，k为松耦合变压器耦合系数，那么双边LCC补偿的无线电能传输系统的原边参数满足副边参数满足ωcc为系统输出负载所需恒流时的角频率。
为了实现输出恒流和输出恒压的可调，采取调节补偿电感和高频全桥逆变电路输入端直流电压的方式确定双边LCC补偿网络参数，共有两种参数选取方案。
方案一，原边补偿电感L1为：副边补偿电感L2满足： 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照：配置，
此时，松耦合变压器参数需满足边界条件：且
方案二：原边补偿电感L1为：副边补偿电感L2满足： 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照配置，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
其中，Vo为负载所需恒压，Io为负载所需恒流，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
图2(a)为无线电能传输系统整流前后的电流波形，图2(b)为整流前后的电压波形，由于负载侧只有电容滤波，其整流前后的电压电流满足：
图3至图6验证通过双边LCC补偿参数改变原副边补偿电感的参数配置实现恒流恒压可调的有效性。采用的松耦合变压器，其耦合系数k为0.367，其原边自感LP为16.18uH，其副边自感LS为15.519uH，恒流输出的开关频率为200kHz，占空比为0.98，要求无线电能系统的输出恒流为1A，输出恒压为24V，计算得到该系统的边界条件为k<0.382，输入电压VIN为30.8V，恒压开关频率为252kHz，原边补偿电感L1为12.24uH，原边并联补偿电容CP1为51.75nF，原边串联补偿电容CP2为103.3nF，副边补偿电感L2为9.39uH，副边并联补偿电容CS1为67.77nF，副边串联补偿电容CS2为160.6nF。
图3是输出电流Io为1A、负载电阻为12Ω时的双边LCC补偿拓扑的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流Io的波形。图4是输出电流Io为1A、负载电阻为24Ω时的双边LCC补偿拓扑的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流Io的波形。从图3、图4可以看出，无线电能传输系统工作在恒流模式(即开关频率为200kHz)，给电池负载恒流充电，当电池等效电阻从12Ω变到24Ω时，输出电流Io不随负载发生变化维持在1A，输入电流iIN和桥臂电压vAB基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于MOSFET开关管实现零电压开关，减少开关损耗。
图5是输出电压为24V、负载电阻为24Ω时双边LCC补偿拓扑的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流Vo的波形。图6是输出电压为24V、负载电阻为48Ω时双边LCC补偿拓扑的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流Vo的波形。从图5、图6可以看出，无线电能传输系统工作在恒压模式(即开关频率为252kHz)，给电池负载恒压充电，当电池等效电阻从24Ω变到48Ω时，Vo不随负载发生变化且保持在24V，输入电流iIN和桥臂电压vAB基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于MOSFET开关管实现零电压开关，减少开关损耗。
图7(a)是系统在负载为24Ω时从恒流模式切换到恒压模式的瞬间的切换信号vsignal、输入电流IIN、输入电压VIN波形，图7(b)为是系统在负载为24Ω时从恒流模式切换到恒压模式的瞬间输出电压Vo和瞬间输出电流Io的波形，可以看出本发明只需要调节系统的工作频率，就能实现从恒流到恒压工作模式的切换，通过配置原副边补偿电感参数，可以实现恒流和恒压输出的可调。全桥高频逆变电路输入电压和输入电流基本同相位，实现了输入ZPA和零电压开通和关断。在从恒流模式切换到恒压模式的过程中，系统中无过冲，两三个周期内就完成了平稳过渡。

Claims (3)

1.双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，
所述WPT系统包括：高频全桥逆变电路(1)、包含原边补偿电感、原边串联补偿电容、原边并联补偿电容的原边LCC补偿网络(2)、松耦合变压器(3)、包含副边补偿电感、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容的副边LCC补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路(1)的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端与原边串联补偿电容的一极、原边并联补偿电容的一极相连接，原边串联补偿电容的另一极与松耦合变压器(3)原边绕组的一端连接，松耦合变压器(3)原边绕组的另一端、原边并联补偿电容的另一极均与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点相连接，松耦合变压器(3)副边绕组的一端与副边串联补偿电容的一极连接，副边串联补偿电容的另一极与副边并联补偿电容的一极、副边补偿电感的一端相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路(5)的一桥臂中点连接，松耦合变压器(3)副边绕组的另一端、副边并联补偿电容的另一极均与全桥整流滤波电路(5)的另一桥臂中点相连接，松耦合变压器(3)原边绕组与原边串联补偿电容相连的一端、松耦合变压器(3)副边绕组与副边串联补偿电容相连的一端互为同名端；
其特征在于，所述参数设置方法根据负载所需恒流及负载所需恒压确定双边LCC补偿网络的参数及高频全桥逆变电路输入端的直流电压，具体包括两个方案：
方案一：在保证负载所需恒流的前提下，确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：再由系统工作于负载所需恒流的频率ωcc确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2， 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照：配置，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
方案二：在保证负载所需恒流的前提下，确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：再由系统工作于负载所需恒流的频率ωcc确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2， 系统输出负载所需恒压时的角频率ωcv为：高频全桥逆变电路输入端的直流电压VIN按照配置，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
其中，k为松耦合变压器的耦合系数，LP、LS分别为松耦合变压器的原边自感、副边自感，Io、Vo分别为负载所需恒流、负载所需恒压，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
2.根据权利要求1所述双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，其特征在于，选用方案一确定的双边LCC补偿网络的参数时，系统输出负载所需恒流时的输入阻抗ZINcc为：系统输出负载所需恒压时的输入阻抗RL为电池负载的等效电阻。
3.根据权利要求1所述双边LCC网络的WPT系统恒流恒压输出可调的参数设置方法，其特征在于，选用方案二确定的双边LCC补偿网络的参数时，系统输出负载所需恒流时的输入阻抗ZINcc为：系统输出负载所需恒压时的输入阻抗ZINcv为：RL为电池负载的等效电阻。
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