CN107919740B - 一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法，通过选择合适的失谐因子来设置谐振系统的电路参数，当系统失谐过大时，在保证负载可靠工作的前提下尽可能保证系统效率，实现系统功率和效率匹配的优化。与现有技术相比，本发明实现了感应耦合电能传输系统的传输效率可达到70％左右；实现了不同性质的负载在变化的情况下，感应耦合电能传输系统的效率稳定在70％左右；本发明方法可以应用在涉及磁耦合谐振系统可变负载供电的领域，本发明方法对SS、SP、PS、PP四种谐振拓扑结构及其拓展结构均适用。

Description

一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法

技术领域

本发明涉及谐振系统的参数设计领域，特别是一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法。

背景技术

感应耦合电能传输(ICPT)系统因其电能接入的安全、可靠、灵活的特点受到了广泛的关注，在医学生物体供电、轨道交通、家庭和办公桌面用电、移动设备和旋转设备供电等方面拥有广阔的应用前景。

为了提高ICPT系统的功率传输能力，通常采用的方法有：提高工作频率；提高原边电能发射功率；提高谐振电路的品质因素以及提高耦合环节的耦合系数等；国外学者指出，为了实现ICPT系统功率的最大传输，耦合系数并非越大越好，而是存在一个优化的取值；但该学者仅对原副边均采用串联谐振拓扑结构的ICPT系统进行了分析，并没有考虑系统过耦合时最大效率点和最大功率点不一致的问题。

国内有关学者对感应耦合电能传输系统的参数进行了分析和优化，分别用电路分析法、耦合模分析法对SS、SP、PS、PP四种谐振拓扑结构进行了分析，根据不同的拓扑结构提出了谐振电容的四种不同形式，但是仅仅是讨论了感应耦合电能传输系统带纯电阻负载情况下的补偿电容形式，并没有对带阻感性负载和阻容性负载的情况进行讨论，限制了具体应用，且得到的谐振电容计算的形式比较复杂，也不利于实际应用。

孙跃等人在此基础上提出了能效积的概念同时考虑耦合系数对效率和功率的影响，通过优化耦合系数在纯电阻负载的情况下使系统输出的功率达到50％，传输效率达到66.7％。

以上几种主流的研究方式具有以下缺陷：1、忽视了感应耦合电能传输系统过耦合时效率点和功率点不一致的问题；2、虽然考虑感应耦合电能传输系统效率点和功率点不一致的问题，但仅仅考虑了纯阻性负载的情况，并没有分析阻感性、阻容性负载以及负载可变时功率和效率的分布情况。

发明内容

本发明考虑了感应耦合电能传输系统过耦合时功率点和效率点不一致的情况，分析了负载在阻感性、阻容性的不同特性下的功率和效率的分布情况，提出了利用失谐因子和耦合因数实现谐振系统的参数设计的方法，此方法不仅合理地选择谐振系统的初级线圈电感、次级线圈电感，从而对耦合系数进行了优化，而且合理地选择了谐振电容和感应耦合电能传输系统的工作频率，提高系统抗负载扰动的能力，实现了系统失谐时的最大功率比和传输效率均达到了70％左右。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

首先，谐振系统包括谐振系统的初级线圈电感、次级线圈电感、初级谐振电容和次级谐振电容，其中谐振系统的初级线圈连接初级补偿电容后连接交流输入电源，谐振系统的次级线圈连接次级谐振电容后连接负载，初级线圈、次级线圈的铁心间隙在0.4-0.6mm之间；本发明提出一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法，包括以下步骤：

对于阻感性负载：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载电感的变化范围L(L₁，L₂)，选择失谐因子ξ，对谐振系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电感公式

来计算耦合电感

步骤3：利用耦合电感公式

和负载电阻公式

来计算谐振系统电容

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，减小失谐因子ξ的大小后，返回步骤3。

对于阻容性负载其设计步骤如下：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载容的变化范围C(C₁，C₂)，选择失谐因子ξ，对感应耦合电能传输系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电容公式

来计算谐振系统电容

步骤3：利用谐振系统电容

和负载电阻公式

来计算谐振系统互感电感

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，增大失谐因子ξ₁后，返回步骤3。

与现有技术相比，本发明解决了负载变化过大时，负载功率和电源效率不能很好匹配的问题，通过选择合适的失谐因子来设置谐振系统的电路参数，当系统失谐过大时，在保证负载可靠工作的前提下尽可能保证系统效率，实现系统功率和效率匹配的优化，具体地，本发明的有益效果为：

1、实现了感应耦合电能传输系统的最大功率比和传输效率可达到70％左右；

2、实现了不同性质的负载在变化的情况下，感应耦合电能传输系统的最大功率比和传输效率稳定在70％左右。

3、本发明方法可以应用在涉及磁耦合谐振系统可变负载供电的领域，本发明方法对SS、SP、PS、PP四种谐振拓扑结构及其拓展结构均适用。

附图说明

图1是针对阻容和阻感性负载本发明设计流程图。

图2是SS谐振拓扑的原理图。

图3是归一化功率与失谐因子耦合因数的关系图像。

图4是归一化效率与失谐因子耦合因数的关系图像。

图5是最大功率比p、传输效率η都大于60％时关于失谐因子ξ、耦合因数δ的散点图的等效图。

图6是全桥整流开关电源的原理图。

图7是全桥整流开关电源的系统框图。

图8是无线电能传输系统电路拓扑结构原理图。

图9是无线电能传输系统框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。为了便于叙述假设对于阻感性负载为电阻和电感的串联形式，对于阻容性负载为电阻和电容的串联形式，但是不管负载为何种连接形式都可以等价为电阻和电感或电阻和电容的串联形式。

如图1所示，本发明的一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法，以SS谐振拓扑结构为例，图2为SS谐振拓扑的原理图，包括以下步骤：

对于阻感性负载：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载电感的变化范围L(L₁，L₂)，选择失谐因子ξ，对谐振系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电感公式

来计算耦合电感

步骤3：利用耦合电感公式

和负载电阻公式

来计算谐振系统电容

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，减小失谐因子ξ的大小后，返回步骤3。

对于阻容性负载其设计步骤如下：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载容的变化范围C(C₁，C₂)，选择失谐因子ξ，对感应耦合电能传输系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电容公式

来计算谐振系统电容

步骤3：利用谐振系统电容

和负载电阻公式

来计算谐振系统互感电感

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，增大失谐因子ξ₁后，返回步骤3。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图2-9及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：本发明方法在全桥整流开关电源中的应用，如图6结合图7所示，D₁-D₄构成整流部分，将输入的交流电整流为直流电，经输入稳压电容C_in1、C_in2变为稳定的直流电，Q₁-Q₄构成逆变部分，D₅-D₉为其内置的二极管，逆变部分将由整流部分整流的直流电逆变为频率与谐振系统谐振频率相同的交流电，互感电感L_t、L_r以及电容C_t、C_r构成谐振系统部分，谐振系统部分将初次侧的交流电耦合到二次侧，D₉-D₁₂构成二次侧的整流部分，将由谐振系统耦合的交流电整流为幅值满足负载要求的直流电，C_f，L_f构成滤波部分，将整流部分输出的直流电改善为负载所需的直流电。

实施例2：本发明方法在无线电能传输系统(ICPT)中的应用，如图8结合图9所示，Q₁-Q₄构成逆变部分，D₁-D₄为其内置二极管，逆变部分将直流电输入逆变为与无线电能传输系统谐振频率相同的交流电，互感电感L_t、L_r以及电容C_t、C_r构成无线电能传输系统部分，将初次侧的交流电无线传输到二次侧，D₅-D₈构成二次侧整流部分，将无线电能传输系统二次侧的交流电整流为直流电，L_f，C_f构成滤波部分，将整流部分输出的直流电改善为负载所需的直流电。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种失谐因子实现谐振系统参数设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对于阻感性负载：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载电感的变化范围L(L₁，L₂)，选择失谐因子ξ，对谐振系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电感公式

来计算耦合电感

步骤3：利用耦合电感公式

和负载电阻公式

来计算谐振系统电容

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

并判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，减小失谐因子ξ的大小后，返回步骤3。

对于阻容性负载其设计步骤如下：

步骤1：根据已知负载电阻的变化范围R(R₁，R₂)，负载电容的变化范围C(C₁，C₂)，选择失谐因子ξ，对感应耦合电能传输系统过耦合时功率点和效率点不一致时的功率和效率分布进行归一化处理得到关于失谐因子ξ和耦合因数δ散点图中的最大功率比和传输效率均大于60％的公共解集，确定ξ₁、ξ₂和耦合因数δ的范围(δ₁，δ₂)，选择耦合系数K；

步骤2：利用负载电容公式

来计算谐振系统电容

步骤3：利用谐振系统电容

和负载电阻公式

来计算谐振系统互感电感

步骤4：令耦合因数δ＝δ₁，根据负载电阻公式

计算出负载电阻的上限

判断是否R_{(最大负载电阻)}≥R₂；

步骤5：如果R_{(最大负载电阻)}≥R₂，所求谐振系统电容满足设计要求，则计算出谐振系统的工作频率

并计算出谐振系统的电源电压有效值

步骤6：如果R_{(最大负载电阻)}<R₂，即不满足负载电阻变化要求，增大失谐因子ξ₁后，返回步骤3。

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