CN110233523B - 一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，结合谐振频率工作点处原边PWM控制方法、不同耦合系数工况和具体应用负载特性，根据原边电流总谐波畸变值要求、恒流充电过程中互导增益要求、恒压充电过程中电压增益要求、谐振电流安全要求和谐振电压安全要求列写耦合网络参数的限定条件方程，将副边谐振电容承受电压最小设置为规划目标以最大程度的轻量化副边谐振电路，并结合市面上薄膜电容值得到耦合网络参数设计结果，最后结合线圈耦合系数、谐振频率和线圈电感的寄生电阻值代入系统传输效率的限定条件。如果不满足效率要求，则选取符合规划边界条件的另一组谐振网络参数进行迭代设计。如果满足效率要求，则认为完成谐振网络参数设计。

Description

一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法。

背景技术

耦合网络是无线电能传输系统的核心部分，耦合网络的传输特性直接影响着电能传输的性能。针对不同的应用场合，实现在不同工况下的工作要求，设计相应的耦合网络参数是至关重要的。然而现在大多数的耦合网络的参数设计方法，设计目标单一，仅将品质因数、电压传输特性、恒定输出目标或者传输效率提升作为耦合网络参数设计的限定条件，无法保证当前参数在全负载范围内和不同工况下，都能满足系统的所有工作指标。另一方面，以往参数设计方法未能结合系统所采用的具体控制方法和负载变化特性，对耦合网络参数进行优化，所得耦合网络参数并非在此控制方法和负载条件下的最优选择。以往设计所得的耦合网络参数往往只得到一个宽泛的范围，然后结合工程经验进行选取，缺乏针对无线电能传输系统具体应用场合的指导意义和参考价值。

同时在移动式无线电能传输系统中，副边耦合线圈往往安装于设备上，因而对副边能量接收侧的结构简洁性要求更为严苛，无法添加额外的控制器或无线通信设备，因而谐振频率工作点处的原边PWM控制在此类无线电能传输系统中应用最为广泛，也被本发明采用为控制方法作为耦合网络参数设计的参考。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，该设计方法将结合谐振频率工作点处原边PWM控制方法和具体负载特性得到耦合网络参数。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，包括以下步骤：

1)确定移动式无线电能传输系统工作于谐振频率点处、耦合系数工况和负载变化特性；

2)根据原边电流总谐波畸变值要求、恒流充电过程中互导增益要求、恒压充电过程中电压增益要求、谐振电流安全要求和谐振电压安全要求列写耦合网络参数在耦合系数和负载变动范围内的限定条件方程；

3)将副边谐振电容承受电压最小设置为规划目标以最大程度的轻量化副边谐振电路，并结合市面上薄膜电容值得到耦合网络参数设计结果；

4)在得到耦合网络参数初步设计结果后，结合线圈耦合系数、谐振频率和仿真得到的线圈电感的寄生电阻值参数代入系统传输效率的限定条件；如果不满足效率要求，则选取符合规划边界条件的另一组谐振网络参数进行迭代设计，如果满足效率要求，则完成谐振网络参数设计。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中移动式无线电能传输系统耦合网络中，原边补偿电路采用LCC型补偿，副边补偿电路采用S型补偿；耦合网络同时结合具体的控制方法和负载变化特性，并考虑移动式无线电能传输系统的不同耦合系数工况，对耦合网络参数进行设计。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，将副边谐振电容承受电压最小设置为所有限定条件方程的规划目标，从而使移动式无线电能传输系统的副边接收侧结构最简。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，结合仿真得出的线圈耦合系数、谐振频率和线圈电感的寄生电阻值代入系统传输效率的限定条件对步骤2)中所得的谐振网络参数进行验证，保证系统的传输效率要求。

本发明提供的一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，相比现有设计方法，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明结合应用最为广泛的谐振频率处原边PWM控制方法和移动式无线电能传输系统中耦合系数变化范围与负载变化特性，给出耦合网络参数设计的最终结果，可以指导移动式无线电能传输系统具体应用场合下耦合网络参数设计，保证在不同耦合工况下和全负载范围内耦合网络的多个系统指标始终满足设计要求。具体地，将不同耦合系数工况下和全负载范围内的原边电流总谐波畸变值要求、恒流充电过程中互导增益要求、恒压充电过程中电压增益要求、谐振电流安全要求和谐振电压安全要求多个限定作为设计目标，保证移动式无线电能传输系统满足增益要求的同时可靠安全运行。此外，将系统传输功率作为耦合网络参数结果的验证条件，从而保证不同耦合工况下全负载范围内系统的传输效率可以始终维持在较高程度。

进一步，本发明提出的耦合网络参数设计方法在简化设计的同时，保证在不同耦合工况下和全负载范围内系统的传输效率不需任何控制都能维持在较高程度。

进一步，本发明提出的耦合网络参数设计方法可以让副边耦合网络所承受的电压应力最小，使移动式无线电能传输系统的副边接收侧结构最简。

附图说明

图1为典型的锂电池充电曲线；

图2为LCC-S型磁谐振式无线电能传输系统电路拓扑图；

图3为移动式无线电能传输系统开环等效电路图；

图4为耦合网络参数设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图4所示，本发明提供的一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，包括以下步骤：

1)由于WPT系统的电压增益、互导增益和传输效率都有赖于负载特性，因此在对LCC-S补偿拓扑进行参数设计之前，需要明确锂电池负载的充电特性。典型的锂电池充电曲线如图1所示，其充电过程分为恒流充电和恒压充电两个阶段，在A-B第一阶段中，电池等效电阻较小，此时对其以恒定电流I_2max充电。随着恒流充电的进行，电池等效电阻不断增大，电池两端口的电压也不断增大，直至达到U_2max时，充电转至下一阶段。在B-C第二阶段中，此时对电池以恒定电压U_2max充电。随着恒压充电的进行，电池等效电阻进一步增大，流过电池的电流不断减小直至到达浮充状态，当电流降低至I_2min时，电池充电完成。该步骤中，在进行耦合网络参数设计时同时结合具体的控制方法和负载变化特性，并考虑了移动式无线电能传输系统的不同耦合系数工况，保证在不同系数工况和全负载范围内，设计所得的耦合网络参数都能满足移动式无线电能传输系统的工作指标。

2)移动式无线电能传输系统如图2所示。其中，电路系统包括依次连接的直流输入模块、原边调压电路、高频全桥逆变电路、原边谐振网络、副边谐振网络、不控整流桥以及负载。

所需设计的耦合网络包括原边谐振网络和副边谐振网络，所述原边谐振网络为发射线圈L₁和串联补偿电感L₀、串联补偿电容C₀和并联补偿电容C₁组成的LCC型回路，所述副边谐振网络为接收线圈L₂和补偿电容C₂组成的S型(串联型)回路，其中参数

为原边线圈电感L₁和串联补偿电感L₀的比值。

3)移动式无线电能传输系统的等效电路如图3所示。根据LCC-S谐振网络的二端口特性，可得耦合网络参数的限定方程。

a)总谐波畸变值要求：原边逆变器采用移相控制时，虽然可以调节逆变器移相角控制耦合网络的输入电压，但是在逆变器移相角较小时，逆变器输出的交流方波电压的总谐波畸变(Total Harmonics Distortion)将较大，使得基波所包含能量较低，不利于WPT系统功率与效率的提升。因此在对逆变器移相控制过程中，需要对逆变器的移相角进行限定。采用全桥逆变器进行移相控制时输出的交流方波电压的THD值应小于1。因而耦合网络的输入电压的限定条件为式(1)所示：

b)恒流充电要求：为实现恒流充电，谐振网络的互导增益限定条件如式(2)所示：

c)恒压充电要求：为实现恒压充电，谐振网络的电压增益限定条件如式(3)所示：

d)谐振电流安全要求：副边耦合电感电流的限定条件如式(4)所示：

原边耦合电感电流的限定条件如式(5)所示：

原边串联补偿电感电流的限定条件如式(6)所示：

原边并联补偿电容电流的限定条件如式(7)所示：

e)谐振电压安全要求：副边耦合电感电压的限定条件如式(8)所示：

原边耦合电感电压的限定条件如式(9)所示：

原边串联补偿电感电压的限定条件如式(10)所示：

原边串联补偿电容电压的限定条件如式(11)所示

原边并联补偿电容电压的限定条件如式(12)所示：

3)耦合元件的寄生电阻相对于谐振频率点处的谐振元件的阻抗较小，因而对谐振网络的互导增益、电压增益和无源器件的谐振电流和谐振电压影响较小，同时由于补偿电容的寄生电阻远远小于线圈，因而分析寄生电阻时往往只考虑线圈寄生电阻，由LCC-S补偿拓扑谐振网络的传输频率特性可知，LCC-S补偿拓扑谐振网络存在一个受谐振元件寄生电阻影响的最优匹配负载，在最优匹配负载下，LCC-S补偿拓扑谐振网络达到理论最高频率，偏离最优匹配负载越大，其传输效率下降越多，当负载分别为最优匹配负载8倍或1/8时，效率下降10％左右，因而效率验证条件如式(13)所示：

在完成谐振元件设计后，计算并测量线圈电感得出其寄生电阻值代入效率限定条件。如果不满足要求，则选取符合规划边界条件的另一组谐振网络参数进行迭代设计。如果满足要求，即认为完成谐振网络参数设计。

实施例：

设定移动式无线电能传输系统负载特性和系统安全指标如表1所示。

表1

表1电池参数指标

移动式无线电能传输系统谐振网络参数如表2所示。

表2谐振网络实际参数

将表2中谐振网络实际参数，代入LCC-S补偿拓扑谐振网络参数设计限定条件中，同时考虑线圈寄生电阻的影响，可得在设计耦合系数变化范围内，在电池充电全阶段中LCC-S补偿拓扑的互导增益变化区间、电压增益变化区间、最大谐振电流和最大谐振电压以及传输效率变化范围等系统指标如表3所示。

表3系统实际指标

如表3所示，LCC-S补偿拓扑谐振网络系统实际指标满足表2中提出的设计指标，因此设计得到的表3谐振实际参数可用于此原边PWM控制方法、耦合系数工况下和负载特性下的移动式无线电能传输系统。

Claims (1)

1.一种移动式无线电能传输系统耦合网络参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定移动式无线电能传输系统工作于谐振频率点处、耦合系数工况和负载变化特性；移动式无线电能传输系统耦合网络中，原边补偿电路采用LCC型补偿，副边补偿电路采用S型补偿；耦合网络同时结合具体的控制方法和负载变化特性，并考虑移动式无线电能传输系统的不同耦合系数工况，对耦合网络参数进行设计；

2)根据原边电流总谐波畸变值要求、恒流充电过程中互导增益要求、恒压充电过程中电压增益要求、谐振电流安全要求和谐振电压安全要求列写耦合网络参数在耦合系数和负载变动范围内的限定条件方程；

3)将副边谐振电容承受电压最小设置为规划目标以最大程度的轻量化副边谐振电路，并结合市面上薄膜电容值得到耦合网络参数设计结果；将副边谐振电容承受电压最小设置为所有限定条件方程的规划目标，从而使移动式无线电能传输系统的副边接收侧结构最简；

4)在得到耦合网络参数初步设计结果后，结合线圈耦合系数、谐振频率和仿真得到的线圈电感的寄生电阻值参数代入系统传输效率的限定条件；如果不满足效率要求，则选取符合规划边界条件的另一组谐振网络参数进行迭代设计，如果满足效率要求，则完成谐振网络参数设计；其中结合仿真得出的线圈耦合系数、谐振频率和线圈电感的寄生电阻值代入系统传输效率的限定条件对步骤2)中所得的谐振网络参数进行验证，保证系统的传输效率要求；其中，系统传输效率的限定条件如下：

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