CN108039778A - 基于lcl-lcc补偿网络的恒压恒流wpt系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LCL‑LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统及其参数设计方法，系统原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载，原边电路采用恒流输出，副边电路采用恒压输出，发射线圈L_p2和接收线圈L_s相互耦合实现无线电能传输。这种新型电路拓扑，相对传统无线电能传输系统减少调压环节，降低了系统复杂度，在WPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，当负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定，通过实验验证，上述系统在负载变化50％的情况下仍能够满足原边线圈恒流，副边负载电压恒定的要求，符合实际应用需要。

Description

基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统及其参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术作为一种新型的电能接入方式，摆脱了导线的束缚，使电能的接入更加灵活、安全、方便，因此，在家用电器、电动汽车、生物医电、轨道交通等非接触充电领域，及矿井及水下等危险环境的无线供电领域得到了运用。

在无线电能传输系统中，发射线圈中电流的恒定意味着能够产生稳定的磁场，副边电路才能拾取到稳定的电压，有利于电能在后级电路结构中传输的控制。然而，副边电路中的负载的动态变化会导致电路当中的电压、电流不稳定。在目前实际的电路当中通过加入调压电路(Buck/Boost)来实现电路的稳定工作，调压电路的加入增加电路的复杂度，增加了电路控制难度，还增加了电路的能量损耗。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明采用LCL—LCC的拓扑结构，旨在减少系统中电路环节，减少电路控制复杂度，保证在负载变化的情况下发射线圈上的电流恒定，副边负载电压恒定，从而实现电路稳定工作，对系统稳定工作有着重大的意义和价值。

为实现上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：

首先，提出一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其关键在于：原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载；

所述LCL补偿网络包括电感L_p1、电容C_p以及发射线圈L_p2，电容C_p和发射线圈L_p2构成原边并联谐振回路，电感L_p1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；

所述LCC补偿网络包括接收线圈L_s、电容C_s1以及电容C_s2，接收线圈L_s和电容C_s2构成副边并联谐振回路，电容C_s1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上；

所述原边电路采用恒流输出，所述副边电路采用恒压输出，所述发射线圈L_p2和接收线圈L_s相互耦合实现无线电能传输。

进一步地，发射线圈L_p2与接收线圈L_s之间的互感值保持恒定。

进一步地，副边电路工作频率其中L_s为接收线圈L_s的自感值，C_s1为电容C_s1的容抗值，C_s2为电容C_s2的容抗值。

进一步地，原边电路工作频率其中L_p1为电感L_p1的自感值，且与发射线圈L_p2的自感值相同，C_p为电容C_p的容抗值。

基于上述电路系统，本发明还提出一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统的参数设计方法，主要按以下步骤进行：

S1：设定直流输入电压U_in，负载阻抗R，系统频率f，发射线圈L_p2的自感值和接收线圈L_s的自感值；

S2：设定电压增益σ，并根据电压增益与副边电容比λ之间的关系确定电容C_s1与电容C_s2的容值比；

S3：根据原边恒流条件确定电容C_p的容值；

S4：根据副边恒压条件以及副边电容比λ确定电容C_s1和电容C_s2的容抗值；

S5：验证参数的可行性。

进一步地，步骤S3中原边恒流条件为：

原边电路工作频率等于系统频率，即其中L_p1为电感L_p1的自感值，且与发射线圈L_p2的自感值相同，C_p为电容C_p的容抗值。

进一步地，步骤S4中副边恒压条件为：

副边电路工作频率等于系统频率，即其中L_s为接收线圈L_s的自感值，C_s1为电容C_s1的容抗值，C_s2为电容C_s2的容抗值。

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：

本发明提出一种具有恒压恒流特性的补偿网络，并给出了系统参数的设计方法，这种新型电路拓扑，相对传统无线电能传输系统减少调压环节，降低了系统复杂度，在WPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，当负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定，通过实验验证，上述系统在负载变化50％的情况下仍能够满足原边线圈恒流，副边负载电压恒定的要求，符合实际应用需要。

附图说明

图1为本发明的系统电路原理图；

图2为副边电路等效模型图；

图3为原边电路等效模型图；

图4为电压增益与副边电容比变化曲线；

图5为本发明的方法流程图；

图6为实验验证过程中发射线圈的电流波形图；

图7为实验验证过程中负载电压波形图；

图8为负载电压随负载变化的效果图。

具体实施方式

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。

如图1所示，一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载，直流电源输入U_in经过高频逆变电路后获得所需频率的高频交流电，经过LCL补偿网络后通过发射线圈以高频磁场的形式进行传输，此时，接收线圈会接收到频率一致的感应电压，经过LCC补偿网络后供给负载，原边电路采用恒流输出，副边电路采用恒压输出。

通过图1可以看出，所述LCL补偿网络包括电感L_p1、电容C_p以及发射线圈L_p2，电容C_p和发射线圈L_p2构成原边并联谐振回路，电感L_p1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；所述LCC补偿网络包括接收线圈L_s、电容C_s1以及电容C_s2，接收线圈L_s和电容C_s2构成副边并联谐振回路，电容C_s1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上。

为了便于分析，忽略电路当中器件的内阻，在全桥逆变中，对逆变输出电压波形做定量分析，把幅值为U_in的矩形波U_AB展开成傅里叶级数可表示为：

由于LCL补偿网络具有滤波的特性，在分析电路是只考虑电压的基波分量V_AB，即为：

图1中的LCL—LCC补偿网络的WPT系统副边的等效电路如下图2所示，其中U_oc为副边开路拾取电压，R为系统负载，Z_s为副边电路输入阻抗，L_s、C_p1、C_p2构成恒压电路。由图2，根据基尔霍夫定律可得以下关系：

为了计算方便，做以下代换：

U_R＝I_s2R (4)

U_oc＝I_s1Z_s1+(I_s1-I_s2)Z_s3 (5)

U_oc＝I_s1Z_s1+I_s2Z_s2+U_R (6)

联立上式(4)(5)(6)可得：

其中

原边等效电路如图3所示，V_AB为逆变输出电压，L_p1、L_p2、C_p1构成原边恒流电路，Z_sp为副边反射阻抗，其表达式为：

由原边阻抗分析可得，副边阻抗为：

系统的输入阻抗为：

根据图3，由基尔霍夫定律可得以下关系：

为了方便计算，做以下代换：

V_AB＝I_p1Z_p1+(I_p1-I_p2)Z_p3 (12)

V_AB＝I_p1Z_p1+I_p2(Z_p2+Z_sp) (13)

联立上式(12)、(13)可以得出I_p2的表达关系式：

由式(7)可知，当A＝0时，负载R两端电压U_R与R无关，又由(16)式可知，欲使U_R恒定则必须保证ω_p、M、I_p2恒定，又因为原、副边线圈位置相对固定，互感M恒定，则只需证明ω_p、I_p2恒定，由(16)、(19)两式可看出ω_p只与电路当时的输入电压、电容、电感参数有关，与负载R变化无关。从而实现了负载两端电压恒定。副边工作频率如下：

当工作频率满足以上关系时，可以实现副边负载两端电压恒定，负载两端电压为：

由式(14)可知，欲使I_p2恒定，与负载R变化无关，即与反射阻抗Z_sp的变化无关，则满足以下关系：

Z_p1+Z_p3＝0 (17)

即原边工作频率满足以下条件：

工作频率满足以上的关系，可以得到发射线圈电流I_p2的关系：

由以上分析可知原边、副边工作频率分别为f_p、f_s,系统工作频率需满足f＝f_p＝f_s的关系。根据以上分析可得出基于LCL-LCC补偿网络WPT系统原边恒流，副边恒压的条件，具体条件如式(14)、(15)、(16)、(18)、(19)所示。

在理论分析当中，为简化计算，可忽略忽略线圈、器件内阻的大小。根据以上对于系统恒压和恒流条件分析，以下对系统中各个部分参数进行如下设计。

由式(10)可以推导出：

联立(18)、(20)式，且令Im(Z_p)＝0；得到：

L_p1＝L_p2 (21)

由(15)、(18)可得：欲使f＝f_p＝f_s，

得到

由(8)、(9)可得反射阻抗：

最终对分子进行分析可得：

从(24)式可以看出反射阻抗呈阻容性，需要对副边的反射阻抗进行补偿。可以利用发射线圈L_s2的自感来补偿反射阻抗。所以，发射线圈L_s2的有两个作用：一方面实现与副边线圈进行能量交换，另一方面补偿副边发射阻抗。这种方法相较于额外单独加电感来补偿副边副边反射阻抗的方式具有结构简单、降低系统介数的优势。

为了分析电压增益与副边电容C_s1、C_s2之间的关系，做以下定义：λ＝C_s1/C_s2、σ＝U_R/U_in,根据以上分析可以得出以下关系。

由(2)、(15)、(16)、(19)可得：

由此推导出电压增益的关系：

根据以上电压增益的表达式绘制出电压增益σ与副边电容之比λ之间的关系如图4所示。

根据图4可以看出随着副边电容之比λ的增大，电压增益σ也随之减小，电压增益σ最终也趋近于0.6，由此结合以上参数配置的方式来确定副边电容Cs1、Cs2的取值，对实际参数配置具有参考价值。

根据上述恒压恒流条件以及参数配置方式，得出图5所示的系统参数配置流程，具体为：

S1：设定直流输入电压U_in，负载阻抗R，系统频率f，发射线圈L_p2的自感值和接收线圈L_s的自感值；

S2：设定电压增益σ，并根据电压增益与副边电容比λ之间的关系确定电容C_s1与电容C_s2的容值比；

S3：根据原边恒流条件确定电容C_p的容值；

S4：根据副边恒压条件以及副边电容比λ确定电容C_s1和电容C_s2的容抗值；

S5：验证参数的可行性。

为验上述证理论分析的正确性，利用Matlab/Simulik软件搭建如图1所示的系统仿真模型，验证LCL-LCC补偿网络WPT系统恒压恒流特性，为了便于观察负载切换前后变化，仿真和实验中在负载前加入整流电路。根据以上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所示。

系统仿真实验中，在0.1s时进行负载切换，负载从100Ω切换到33.33Ω，原边线圈电流I_p2和负载两端电压U_R如图6、图7所示。

从图6、7中可以看出，0.1s时负载从100Ω切换至33.33Ω，负载两端电压有效值U_R变化从26.41V变化到26.20V，变化率为0.8％；发射线圈上的电流I_p2有效值从5.198A变化至5.196A，电流变化极其微小。从而从仿真的角度验证了模型以及参数配置方式的正确性。

将表1数据带入式(16)、(19)，可得U_R＝26.3V、I_p2＝5.195A。为了验证本系统的恒压恒流的适用范围(经仿真验证电流在负载变化下均为5.193A)，通过仿真得到如下图8所示。

在电力电子电路中，当一个物理量在外界扰动下，变化率小于5％，认为其近似恒定。由上图结合仿真实验数据结果分析可知，R在7Ω到无穷大的范围内，可以近似U_R为恒定。

表1系统设计参数

综上所述，本发明提出的新型电路拓扑，相对传统无线电能传输系统减少调压环节，降低了系统复杂度。在WPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，当负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定。仿真及实验结果表明系统在负载变化50％的情况下仍能够满足原边线圈恒流，副边负载电压恒定的要求。

最后应当指出的是，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 (7)

1.一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载；

所述LCL补偿网络包括电感L_p1、电容C_p以及发射线圈L_p2，电容C_p和发射线圈L_p2构成原边并联谐振回路，电感L_p1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；

所述LCC补偿网络包括接收线圈L_s、电容C_s1以及电容C_s2，接收线圈L_s和电容C_s2构成副边并联谐振回路，电容C_s1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上；

所述原边电路采用恒流输出，所述副边电路采用恒压输出，所述发射线圈L_p2和接收线圈L_s相互耦合实现无线电能传输。

2.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：发射线圈L_p2与接收线圈L_s之间的互感值保持恒定。

3.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：副边电路工作频率其中L_s为接收线圈L_s的自感值，C_s1为电容C_s1的容抗值，C_s2为电容C_s2的容抗值。

4.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：原边电路工作频率其中L_p1为电感L_p1的自感值，且与发射线圈L_p2的自感值相同，C_p为电容C_p的容抗值。

5.如权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统的参数设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

S1：设定直流输入电压U_in，负载阻抗R，系统频率f，发射线圈L_p2的自感值和接收线圈L_s的自感值；

S2：设定电压增益σ，并根据电压增益与副边电容比λ之间的关系确定电容C_s1与电容C_s2的容值比；

S3：根据原边恒流条件确定电容C_p的容值；

S4：根据副边恒压条件以及副边电容比λ确定电容C_s1和电容C_s2的容抗值；

S5：验证参数的可行性。

6.根据权利要求5所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S3中原边恒流条件为：

原边电路工作频率等于系统频率，即其中L_p1为电感L_p1的自感值，且与发射线圈L_p2的自感值相同，C_p为电容C_p的容抗值。

7.根据权利要求5所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S4中副边恒压条件为：

副边电路工作频率等于系统频率，即其中L_s为接收线圈L_s的自感值，C_s1为电容C_s1的容抗值，C_s2为电容C_s2的容抗值。