CN109149734B - 一种无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线能量传输变换器，包括：包含发射线圈和接收线圈；所述发射线圈与电源相连；所述接收线圈与滤波电感和电池负载串联；所述发射线圈与所述接收线圈耦合。本发明提供的技术方案能够通过调整失谐率，使传输功率保持总体平稳状态，负载能够在宽耦合系数范围内获取稳定的能量。
Description
技术领域
本发明属于无线输能技术领域，具体讲涉及一种无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统。
背景技术
无线输能技术已经广泛应用于便携式电子产品、植入式医疗电子设备等小功率场合。用电设备的无线供电，可以使用电设备快速安全地接入电源，不受场合和外部条件的限制。
在大功率场合，用于电动汽车的无线充电技术能很大程度上解决限制电动汽车发展的续航问题，其充电不受天气等外部因素限制，并能彻底消除传统接触式充电易磨损、不安全且充电操作繁琐等缺点。
为了进一步解决电动汽车动力电池瓶颈，提出了动态无线充电方案。动态无线充电方式设想在行车道路铺设线圈链，给行驶中的电动汽车不间断充电，从而有效延长行驶里程。在动态无线充电过程中，车载负荷本身处在工作状态，为了保证供给负荷并留有一定储能余量并使得经济效率达到最优，动态无线充电系统应时刻处于能获取的额定传输功率的状态。因此动态无线充电系统必须保证原副边功率线圈的互感耦合系数在一定范围内变化时，传输功率不能随偏移距离变化而大幅度波动，仍保持稳定的传输状态，即具有抗偏移能力。
为了增加WPT(Wirelss Power Transmission，无线能量传输)系统的有效偏移范围，一般从磁耦合机构和原边补偿拓扑两个方面改进。通过对磁耦合机构的改造，使互感耦合系数在较宽的偏移范围内其波动范围较小。另一方面还提出了一些具有优良特性的高阶补偿拓扑。例如原边LCL型补偿拓扑，由于它具有良好的恒流源特性，使得调控副边变得简单，在WPT系统中采用较多。
CN201310571308号中国专利披露了“一种用于无线电能传输的双边LCC补偿拓扑及其调谐方法”，其中公开了在LCL拓扑的基础上的一种LCCL补偿拓扑。但是这种补偿拓扑的传输功率随着偏移距离的增加而迅速下降，导致电动汽车在行驶过程中必须严格对准行驶车道行使，这无疑限制了车辆在一个较小的偏移范围内行驶。这对电动汽车驾驶员的驾驶技术提出了较高的要求，从而降低动态无线充电的实用性。
CN105186646A号中国专利披露了“一种用于动态无线充电的装置及其参数获取方法”，其中提出了一种多元件复合补偿拓扑，这种拓扑可以使得传输功率关于偏移距离保持稳定，使电动汽车可以在较宽的空间范围内拾取更多的能量。但这种补偿拓扑元件繁多，对元件取值的匹配程度要求很高。
发明内容
为解决上述技术的不足，本发明提供一种无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统，旨在解决由于现有无线能量传输变换系统中拓扑元件繁多、传输功率容易随发射接收线圈位置相对变化而剧烈波动的问题使得传输功率平稳的特性更易于实现。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种无线能量传输变换器，其改进之处在于，包含发射线圈3和接收线圈4；
所述发射线圈3与电源相连；
所述接收线圈4与滤波电感和电池负载串联；
所述发射线圈3与所述接收线圈4耦合；
优选地，所述发射线圈3的基准自感值与所述接收线圈4的基准自感值相差在10％以内。
优选地，还包括高频逆变电路1和原边补偿电容2；
所述高频逆变电路1的输入端与电源连接，高频逆变电路1的右桥臂中点与所述发射线圈所述3的一端连接；
所述原边补偿电容2的正极与高频逆变电路1的左桥臂中点连接，所述原边补偿电容2的负极与发射线圈3的另一端连接。
优选地，还包括副边补偿电容5和整流滤波电路6；
所述副边补偿电容5的负极接整流滤波电路6的左桥臂中点；所述副边补偿电容5的正极与接收线圈4串联后连接所述整流滤波电路6的右桥臂中点；所述整流滤波电路6的输出接滤波电感和电池负载；滤波电感和电池负载串连。
一种无线能量传输变换器的失谐参数设计方法，其改进之处在于，包括：
根据发射线圈3和接收线圈4的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈3的基准自感值；
依据设定条件调整所述基准失谐率；
基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
优选地，所述基准失谐率按下式计算：
式中，λ为基准失谐率；Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值。
优选地，所述发射线圈3的基准自感值按下式计算：
式中，L1为发射线圈3的基准自感值；Pmax为功率极值；ω为工作角频率。
优选地，所述依据设定条件调整所述基准失谐率，包括：
减小基准失谐率，直至耦合系数满足设定条件。
优选地，所述耦合系数的设定条件如下式所示：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；λ为基准失谐率。
优选地，所述基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
优选地，所述基于所述调整之后的基准失谐率，计算功率值范围包括：
所述功率值范围中的功率最大值按下式计算：
式中，Pkmax为最大功率值；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；λ'为调整之后的基准失谐率；Kmax为最大耦合系数；ω为工作角频率；L1为发射线圈3基准自感值；
所述功率值范围中的功率最小值按下式计算：
式中，Pkmin为最小功率值；kmin为最小耦合系数。
优选地，所述基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
计算所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值；
依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈3的基准自感值，计算所述功率值范围与所述功率极值的比值，直至满足所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比；
将所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比时对应的调整后的基准失谐率和发射线圈3基准自感值确定为无线能量传输变换器的失谐参数。
优选地，所述依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈3的基准自感值，包括：
所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值的最小值小于设定的功率波动百分比，则减小所述调整之后的所述基准失谐率，同时在所述调整之后的基准自感值的基础上减小发射线圈3基准自感值，使得Pmax保持不变。
一种无线能量传输变换器的失谐参数设计系统，其改进之处在于，所述系统包括：计算模块、调整模块和确定模块；
计算模块：用于根据发射线圈3和接收线圈4的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈3的基准自感值；
调整模块：用于依据设定条件调整所述基准失谐率；
确定模块：用于基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
优选地，所述确定模块包括：计算单元和结果单元；
计算单元：用于基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
结果单元：用于根据所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数。与最接近的已有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提供的无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统，简化了补偿拓扑，涉及的元件数目更少，对于元件参数匹配程度要求低，更易于实现。
本发明提供的无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统，通过按照设定条件调整基准失谐率，确定失谐率和发射线圈的基准自感值，使接收功率在最小耦合系数kmin到最大耦合系数kmax的过程中总体趋势保持平稳，避免了极弱耦合下低效的能量传输，同时由于接收端能够持续获取稳定能量，发射端容量可以得到充分利用，避免了充电设施的浪费。
本发明提供的无线能量传输变换器及其失谐参数设计方法和系统，通过调整原边补偿电容的电容值改变原边谐振的失谐程度，使得负载接收到的功率在发射线圈和接收线圈相对位置发生变化时，仍然保证负载获取较为平稳的功率，在移动式无线能量传输应用中，能保证接收端在宽空间范围内保持有效功率拾取，提高了接收端的能量获取效率，同时提高了无线能量传输系统的利用率。
附图说明
图1是本发明一种无线能量传输变换器的电路图；
图2是本发明无线能量传输变换器失谐参数设计方法示意图；
图3是本发明无线能量传输变换器失谐参数设计系统示意图；
图4是本发明实施例四的无线能量传输变换器的电路图，
其中，1为高频逆变电路，2为原边补偿电容，3为发射线圈，4为接收线圈，5为副边补偿电容，6为整流滤波电路；
图5是本发明实施例四的无线能量传输变换器的交流等效电路图；
图6是本发明实施例四的无线能量传输变换器的原副边交流电压和电流矢量图；
图7是本发明实施例四的无线能量传输变换器的传输功率随耦合系数的变化曲线。
具体实施方式
以下描述和结合附图提供的本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。技术人员在本发明的实施例的启示下可以提出其他包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变的技术方案。另有明确要求除外，本发明提供的组件和功能是可选的，操作的顺序是可以变化的。一些实施例中的部分方案和特征可以被其他实施方案的技术方案和特征所替换。由本发明的实施概括的范围包括于权利要求的整范围之内，或权利要求技术方案的等同物。本说明书中，本发明的实施例可以单独地或总地用术语“发明”表示，仅仅是为了表述方便，如果本申请说明书公开的内容事实上公开了超过一个发明的构思，显然应将术语“发明”理解为技术人员在此启发下无需付出创造性劳动所能得出的任何发明或构思。
实施例一、
一种无线能量传输变换器，如图1所示，包含发射线圈3和接收线圈4；
所述发射线圈3与电源相连；
所述接收线圈4与滤波电感和电池负载串联；
所述发射线圈3与所述接收线圈4耦合；
具体地，所述发射线圈3的基准自感值与所述接收线圈4的基准自感值相差在10％以内。具体地，还包括高频逆变电路1和原边补偿电容2；
所述高频逆变电路1的输入端与电源连接，高频逆变电路1的右桥臂中点与所述发射线圈所述3的一端连接；
所述原边补偿电容2的正极与高频逆变电路1的左桥臂中点连接，所述原边补偿电容2的负极与发射线圈3的另一端连接。
具体地，还包括副边补偿电容5和整流滤波电路6；
所述副边补偿电容5的负极接整流滤波电路6的左桥臂中点；所述副边补偿电容5的正极与接收线圈4串联后连接所述整流滤波电路6的右桥臂中点；所述整流滤波电路6的输出接滤波电感和电池负载。
实施例二、
一种无线能量传输变换器的失谐参数设计方法，如图2所示，包括：
步骤1：根据发射线圈3和接收线圈4的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈3的基准自感值；
步骤2：依据设定条件调整所述基准失谐率；
步骤3：基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
具体地，所述基准失谐率按下式计算：
式中，λ为基准失谐率，Kmin为最小耦合系数，Kmax为最大耦合系数，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值。
进一步地，所述发射线圈6的基准自感值按下式计算：
式中，L1为发射线圈3的基准自感值，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，Pmax为功率极值，λ为基准失谐率，ω为工作角频率。
具体地，所述依据设定条件调整所述基准失谐率，包括：
减小基准失谐率，直至耦合系数满足设定条件。
优选地，所述耦合系数的设定条件如下式所示：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；λ为基准失谐率。
具体地，所述基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
具体地，所述基于所述调整之后的基准失谐率，计算功率值范围包括：
所述功率值范围中的功率最大值按下式计算：
式中，Pkmax为最大功率值；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；λ'为调整之后的基准失谐率；Kmax为最大耦合系数；ω为工作角频率；L1为发射线圈3基准自感值；
所述功率值范围中的功率最小值按下式计算：
式中，Pkmin为最小功率值，kmin为最小耦合系数。
具体地，所述基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
计算所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值；
依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈3的基准自感值，计算所述功率值范围与所述功率极值的比值，直至满足所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比；
将所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比时对应的调整后的基准失谐率和发射线圈3基准自感值确定为无线能量传输变换器的失谐参数。
具体地，所述依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈3的基准自感值，包括：
所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值的最小值小于设定的功率波动百分比，则减小所述调整之后的所述基准失谐率，同时在所述调整之后的基准自感值的基础上减小发射线圈3基准自感值，使得Pmax保持不变。
实施例三、
一种无线能量传输变换器的失谐参数设计系统，如图3所示，其改进之处在于，所述系统包括：调整模块和确定模块；
计算模块：用于根据发射线圈3和接收线圈4的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈3的基准自感值；
调整模块：用于依据设定条件调整所述基准失谐率；
确定模块：用于基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
具体地，所述确定模块包括：
计算单元：用于基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
结果单元：用于根据所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
具体地，所述计算模块按下式计算基准失谐率λ：
式中，kmin为最小耦合系数；kmax为最大耦合系数，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；
按下式计算发射线圈3的基准自感值：
式中，L1为发射线圈3的基准自感值；Pmax为功率极值；ω为工作角频率。
具体地，所述确定模块的调整单元，耦合系数的设定条件如下式所示：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；kmin为最小耦合系数，kmax为最大耦合系数；λ为基准失谐率；
具体地，所述确定模块的计算单元，根据调整之后的所述基准失谐率，计算功率值范围，包括：
所述最大功率值按下式计算：
式中，Pkmax为最大功率值；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；kmax为最大耦合系数；λ'为调整之后的基准失谐率；ω为工作角频率；L1为发射线圈3基准自感值；
所述最小功率值按下式计算：
式中，Pkmin为最小功率值；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；kmin为最小耦合系数；λ'为调整之后的基准失谐率；ω为工作角频率；L1为发射线圈3基准自感值。
实施例四、
下面对本发明实施例一和实施例二提出的技术方案进行进一步地说明。
一种无线能量传输变换器，其结构如图4所示，包括高频逆变电路1，原边补偿电容2、发射线圈3、接收线圈4、副边补偿电容5、整流滤波电路6和负载；其中，高频逆变电路1包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4，与第一开关管T1并联连接的第一缓冲电容C1、与第二开关管T2并联连接的第二缓冲电容C2、与第三开关管T3并联连接的第三缓冲电容C3、与所述第四开关管T4并联连接的第四缓冲电容C4；整流滤波电路6由二极管D1、D2、D3、D4以及输出滤波电容Co组成。高频逆变电路1的输入端与直流电源V1连接，原边补偿电容2的正极接高频逆变电路1的桥臂中点A，原边补偿电容2的负极接发射线圈3的一端，发射线圈3的另一端与高频逆变电路1的桥臂中点B连接。接收线圈4的一端与副边补偿电容5的正极连接，副边补偿电容5的负极接整流滤波电路6的桥臂中点C，整流滤波电路6的另一桥臂中点D与接收线圈4的另一端连接，整流滤波电路6的输出接滤波电感和电池负载。
高频逆变电路1将直流电压变换成AB端口处周期性变化的正负半周期对称的方波电压，频率为fr，接收线圈4和副边补偿电容Cr2在fr频率下处于谐振状态，副边补偿电容Cr2按下式进行计算：
式中，L2为接收线圈4的基准自感值，fr为高频逆变电路1将直流电压变换成AB端口处方波电压的频率；
发射线圈3和原边补偿电容2在fr处于失谐状态，失谐系数按下式进行计算：
式中，L1为发射线圈3的基准自感值，L2为接收线圈4的基准自感值，f为频逆变电路1将直流电压变换成方波电压的频率，Cr1原边补偿电容。
如图5所示的交流等效电路所示，忽略方波电压源的高次谐波分量写电路方程如下：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值，j为虚数单位，ω为工作角频率，Cr1原边补偿电容，M发射线圈和接收线圈之间的互感，I1为原边电流，I2为副边电流。
对上述方程进行化简，令：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值，j为虚数单位，ω为工作角频率，Cr1原边补偿电容，M发射线圈和接收线圈之间的互感，I1为原边电流，I2为副边电流。
根据上述方程做出电压电流的矢量图，如图6所示，则副边电流I2可表示为
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值，λ为失谐系数，k为发射线圈和接收线圈的耦合系数，ω为工作角频率，
上式的限制条件为
对副边电流求导得到电流极值出在耦合系数为极值时，耦合系数极值按下式计算：
在该耦合系数极值两侧，功率关于耦合系数的趋势相反，在左侧，随耦合衰减，功率迅速降至0，而在右侧功率较为平缓。这一特性使得在动态能量传输中，正常耦合范围内功率平稳，而一旦耦合跌落，则不再传输能量，避免低效率的传输。利用这一特点，通过调整失谐率使最小耦合系数kmin小于kpmax，使最大耦合系数kmax大于kpmax，则接收功率在kmin到kmax的过程中先增大后减小，总体趋势保持平稳。
本发明还提供了一种无线能量传输变换器的失谐参数设计方法，应用于上述无线能量传输变换器，具体方法步骤如下：
步骤1：根据发射线圈3和接收线圈4确定耦合系数范围，并根据所述耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈3的基准自感值。
设置耦合系数范围为0.08-0.16，直流源电压Vdc为50V，电池端电压额定值为12V，设置允许功率波动百分比为75％,功率极值为100W，工作频率140kHz，即在极端情况下，功率不低于75W；
根据功率平滑的基准条件得到基准失谐率，基准失谐率按下式计算：
式中，kmin为最小耦合系数，kmax为最大耦合系数，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值，λ为基准失谐率，求解得到基准失谐率值λ为0.91；
根据传输容量计算发射线圈3的基准自感值，基准自感值按下式计算：
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，Pmax为功率极值，λ为基准失谐率，ω为工作角频率，L1为发射线圈3基准自感值，
步骤2：依据设定条件调整所述基准失谐率。
根据确定的耦合系数范围和基准失谐率减小失谐率，直至满足下述公式，
式中，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值，kmin为最小耦合系数，kmax为最大耦合系数，λ为基准失谐率。
步骤3：基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
根据确定的耦合系数范围计算功率值范围，最大功率值为：
式中，Pkmax为最大功率值，V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值，V2为整流滤波电路6桥臂中点CD间的电压有效值，kmax为最大耦合系数，λ为基准失谐率，ω为工作角频率，L1为发射线圈3基准自感值；
最小功率值为：
式中，Pkmin为最小功率值；V1为高频逆变电路1桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路6的桥臂中点CD间的电压有效值；kmin为最小耦合系数；λ为基准失谐率，ω为工作角频率；L1为发射线圈3基准自感值。
在基准自感值的基础上减小电感值，使得Pmax保持不变，直至功率波动百分比大于预先定义的允许功率波动百分比；
所述功率波动百分比按下式计算：
q＝min(Pkmax,Pkmin)/Pmax
式中，q为功率波动百分比；Pkmax为最大功率值；Pkmin为最小功率值；Pmax为功率极值。
经过上述步骤，得到失谐率为0.72，发射线圈自感为41uH，原边补偿电容值为43.7nF，副边补偿电容值为31.5nF。如图7系统传输功率随耦合系数的变化曲线所示，传输功率在耦合系数为0.07-0.16时始终不低于额定传输功率的75％。
事实说明，本实施例提供的一种无线能量传输变换器其及失谐参数设计方法和系统，能够使耦合系数在较宽的偏移范围内保持较小范围内波动，电池负载能够在宽耦合系数范围内获取稳定的能量，在移动式无线充电应用中，对提高接收端的移动自由度具有显著意义。
本发明提供的一种无线能量传输变换器其及失谐参数设计方法和系统，能够使传输功率在耦合系数低于kmin时迅速下降为0，避免了极弱耦合下低效的能量传输，同时由于接收端能够持续获取稳定能量，发射端容量可以得到充分利用，避免了充电设施的浪费。
本发明提供的一种无线能量传输变换器其及失谐参数设计方法和系统，所提设计方法涉及的元件数目更少，对于元件参数匹配程度要求低，更易于实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种无线能量传输变换器的失谐参数设计方法，其特征在于，包括：
根据发射线圈(3)和接收线圈(4)的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈(3)的基准自感值；
依据设定条件调整所述基准失谐率；
基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数；
所述基准失谐率按下式计算：
式中，λ为基准失谐率，Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；V1为高频逆变电路(1)桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路(6)的桥臂中点CD间的电压有效值；
所述发射线圈(3)的基准自感值按下式计算：
式中，L1为发射线圈(3)的基准自感值；Pmax为功率极值；
所述基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数；
所述基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
计算所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值；
依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈(3)的基准自感值，计算所述功率值范围与所述功率极值的比值，直至满足所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比；
将所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比时对应的调整后的基准失谐率和发射线圈(3)基准自感值确定为无线能量传输变换器的失谐参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据设定条件调整所述基准失谐率，包括：
减小基准失谐率，直至耦合系数满足设定条件。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述耦合系数的设定条件如下式所示：
式中，V1为高频逆变电路(1)桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路(6)的桥臂中点CD间的电压有效值；Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；λ为基准失谐率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述调整之后的基准失谐率，计算功率值范围包括：
所述功率值范围中的功率最大值按下式计算：
式中，Pkmax为最大功率值；V1为高频逆变电路(1)桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路(6)的桥臂中点CD间的电压有效值；λ'为调整之后的基准失谐率；Kmax为最大耦合系数；ω为工作角频率；L1为发射线圈(3)基准自感值；
所述功率值范围中的功率最小值按下式计算：
式中，Pkmin为最小功率值，kmin为最小耦合系数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈(3)的基准自感值，包括：
所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值的最小值小于设定的功率波动百分比，则减小所述调整之后的所述基准失谐率，同时在所述调整之后的基准自感值的基础上减小发射线圈(3)基准自感值，使得Pmax保持不变。
6.一种无线能量传输变换器的失谐参数设计系统，其特征在于，所述系统包括：计算模块、调整模块和确定模块；
计算模块：用于根据发射线圈(3)和接收线圈(4)的耦合系数范围计算基准失谐率和发射线圈(3)的基准自感值；
调整模块：用于依据设定条件调整所述基准失谐率；
确定模块：用于基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数；
所述基准失谐率按下式计算：
式中，λ为基准失谐率，Kmin为最小耦合系数；Kmax为最大耦合系数；V1为高频逆变电路(1)桥臂中点AB间的电压有效值；V2为整流滤波电路(6)的桥臂中点CD间的电压有效值；
所述发射线圈(3)的基准自感值按下式计算：
式中，L1为发射线圈(3)的基准自感值；Pmax为功率极值；
所述基于所述调整后的基准失谐率和所述基准自感值，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数；
所述基于所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数，包括：
计算所述功率值范围中的功率最小值与所述功率极值的比值和所述功率值范围中的功率最大值与所述功率极值的比值；
依据设定条件减小调整后的所述基准失谐率和所述发射线圈(3)的基准自感值，计算所述功率值范围与所述功率极值的比值，直至满足所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比；
将所述比值中的最小值大于设定的功率波动百分比时对应的调整后的基准失谐率和发射线圈(3)基准自感值确定为无线能量传输变换器的失谐参数。
7.如权利要求6所述设计系统，其特征在于，所述确定模块包括：计算单元和结果单元；
计算单元：用于基于调整之后的所述基准失谐率和所述基准自感值，计算功率值范围；
结果单元：用于根据所述功率值范围，确定无线能量传输变换器的失谐参数。
8.一种无线能量传输变换器，应用于如权利要求1-5任一项所述无线能量传输变换器的失谐参数设计方法，或应用于如权利要求6-7任一项所述无线能量传输变换器的失谐参数设计系统，其特征在于，包含发射线圈(3)和接收线圈(4)；
所述发射线圈(3)与电源相连；
所述接收线圈(4)与滤波电感和电池负载串联；
所述发射线圈(3)与所述接收线圈(4)耦合。
9.如权利要求8所述的无线能量传输变换器，其特征在于，所述发射线圈(3)的基准自感值与所述接收线圈(4)的基准自感值相差在10％以内。
10.如权利要求8所述的无线能量传输变换器，其特征在于，还包括高频逆变电路(1)和原边补偿电容(2)；
所述高频逆变电路(1)的输入端与电源连接，高频逆变电路(1)的右桥臂中点与所述发射线圈 (3)的一端连接；
所述原边补偿电容(2)的正极与高频逆变电路(1)的左桥臂中点连接，所述原边补偿电容(2)的负极与发射线圈(3)的另一端连接。
11.如权利要求10所述的无线能量传输变换器，其特征在于，还包括副边补偿电容(5)和整流滤波电路(6)；
所述副边补偿电容(5)的负极接整流滤波电路(6)的左桥臂中点；所述副边补偿电容(5)的正极与接收线圈(4)串联后连接所述整流滤波电路(6)的右桥臂中点；所述整流滤波电路(6)的输出接滤波电感和电池负载；滤波电感和电池负载串连。
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