CN110277820B - 一种基于lcc补偿网络的参数自调节无线充电系统 - Google Patents

一种基于lcc补偿网络的参数自调节无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，在包括发射端和接收端的基础上还包括控制器，发射端还包括原边LCC补偿电路，接收端还包括副边LCC补偿电路，原边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在其的作用下自动调节的原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，副边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在其的作用下自动调节的副边串联补偿电容、副边并联补偿电容和副边补偿电感，原边补偿电感与原边串联补偿电容串联设置在逆变电路和发射线圈之间，副边串联补偿电容与副边补偿电感串联设置在接收线圈和整流电路之间，原副两边的串联补偿电容、并联补偿电容和补偿电感均以特定的LCC串并联结构组合，实现参数自调节提高效率。

Description

一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统。
背景技术
近些年来，无线充电技术因其非接触状态即可充电、方便快捷的优点越来越受到普遍关注，并且现已在智能手机、现代家居、纯电动汽车、外空间等领域得到广泛的应用。
现有无线充电系统多是基于电磁感应原理和/或谐振耦合原理而设计，其结构包括原边发射端和副边的接收端且发射线圈与接收线圈通常采用LCC补偿网络的连接方式或者LCC补偿网络与其他补偿网络结合的连接方式，为了适应不同应用环境或工况，LCC补偿网络中的补偿电感和补偿电容的参数需要根据工况需求的变化而调整。但现有的基于LCC补偿网络的无线充电系统，往往内部安装的是固有的补偿电容和补偿电感，在改变工作频率之后，其内部固有的补偿电容、谐振电容和补偿电感的参数也会相应发生改变，在反复调节补偿电容、谐振电容和补偿电感参数的过程中，由于系统的集成结构复杂、电路拆装繁琐，甚至有时还容易造成电路损坏，无法实现在元器件不发生变动的情况下的参数调节，即不能实现系统工作频率与元器件参数的一致性，进而影响整个系统的能量传输效率。
发明内容
本发明针对现有基于LCC补偿网络的无线充电系统的集成结构复杂、电路拆装繁琐导致无法在元器件不发生变动的情况下进行参数调节、无法保证系统工作频率与元器件参数的一致性进而影响整个系统的能量传输效率的问题，提供了一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，该系统巧妙地改变了原有部件的结构，能够在不拆装变动元器件的情况下快速实现元器件参数的调节，结构简单、成本较低，还能有效提高能量传输效率。
本发明的技术方案如下：
一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括发射端电源、逆变电路和发射线圈，所述接收端包括接收线圈、整流电路和接收端负载，所述系统还包括控制器，所述发射端还包括原边LCC补偿电路，所述接收端还包括副边LCC 补偿电路，所述原边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述副边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的副边串联补偿电容、副边并联补偿电容和副边补偿电感，所述原边补偿电感与原边串联补偿电容依次串联设置在逆变电路和发射线圈之间，所述原边串联补偿电容和发射线圈串联后再并联所述原边并联补偿电容，所述副边串联补偿电容与副边补偿电感依次串联设置在接收线圈和整流电路之间，所述接收线圈和副边串联补偿电容串联后再并联所述副边并联补偿电容。
优选地，所述原边补偿电感和副边补偿电感均分别采用一个上接线端和一个下接线端串联入电路的连接方式。
优选地，自动调节的原边补偿电感和副边补偿电感均具有滑动触头，随触头的左右移动，接入电路的电感线圈长度随之变化，相应的电感值也随之变化。
优选地，自动调节的各相应电容均采用可变电容阵列，所述可变电容阵列为采用若干个电容元件行串联、列并联并在各支路均设有开关元件的组合结构，各开关元件均与控制器相连。
优选地，所述可变电容阵列还设有一条与行串联电容元件并联的短路支路。
优选地，所述控制器自动获取工况参数并根据工况参数基于效能优化算法自动计算出系统所需补偿参数后根据系统所需补偿参数向原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路的各相应电感和电容发送相应的操作指令以调节相应的电感值和电容值。
优选地，所述工况参数包括但不限于系统工作频率、工作电压、工作电流、最优功率、各元器件参数。
本发明的技术效果如下：
本发明涉及了一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，适用于多种无线充电场景，设置具有特定结构的原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路，通过在现有结构基础上利用能够自动调节的比如类滑动变阻器结构的电感元件以及优选的可变电容阵列式的电容元件充当补偿电感和补偿电容，也可作为谐振电感、谐振电容和补偿电容，各元件进行相应串并联连接，且均受到控制器的控制，由控制器自动计算需要的补偿参数(匹配阻值和容值)，根据计算得出的匹配阻值和容值自动进行调节，结构简单、成本较低且实用性好，从而实现了在元器件不发生变动的情况下就能进行参数调节以及保证了系统工作频率与元器件参数的一致性，显著提高了搭建电路的时间与效率，提高了能量传输效率，同时也便于在不同的工作场景中应用本发明，本发明所述系统能够普遍推广使用。
附图说明
图1为本发明一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统的整体结构示意图。
图2为本发明一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统的原边补偿电感和副边补偿电感接入电路的连接方式示意图。
图3为本发明一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统的各相应电容采用的可变电容阵列的结构示意图。
图4为本发明一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。
本发明涉及了一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，包括发射端和接收端，具体地，如图1的整体结构示意图所示，所述发射端包括发射端电源、逆变电路和发射线圈L1，所述接收端包括接收线圈L2、整流电路和接收端负载，所述系统还包括控制器，所述发射端还包括原边LCC补偿电路，如图中原边虚线框部分所示，所述接收端还包括副边LCC补偿电路如图中副边虚线框部分所示，所述控制器连接在原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路上，进一步地，所述原边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的原边补偿电感Lf1、原边串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1，所述副边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的副边串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2，所述原边补偿电感Lf1与原边串联补偿电容C1依次串联设置在逆变电路和发射线圈L1之间，所述原边串联补偿电容C1和发射线圈L1串联后再并联所述原边并联补偿电容Cf1，所述副边串联补偿电容C2与副边补偿电感Lf2依次串联设置在接收线圈L2和整流电路之间，所述接收线圈L2和副边串联补偿电容C2串联后再并联所述副边并联补偿电容Cf2，系统中还可以包括能够让原边发射端和副边接收端之间实现通信的通信单元，如图中通信单元和其通信流向示意箭头所示，能够完整保证原边和副边数据通信的安全性、有效性，本系统设置具有特定结构的原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路，通过在现有结构基础上结合控制器的对补偿电感以及补偿电容自动调节控制，从而实现了在元器件不发生变动的情况下就能进行参数调节以及保证了系统工作频率与元器件参数的一致性，显著提高了搭建电路的时间与效率，提高了能量传输效率，同时也便于在不同的工作场景中应用本发明，本发明所述系统结构简单、成本较低且实用性好，能够普遍推广使用。
优选地，如图2所示，本系统的原边补偿电感Lf1和副边补偿电感Lf2均分别采用一个上接线端和一个下接线端串联入电路的连接方式，即采用能够自动调节的比如类滑动变阻器结构的电感元件，然后将一个上接线端和一个下接线端串联入电路，比如将图中上接线端C和下接线端A串联接入电路，即可实现滑动调节电感值的作用，且原边补偿电感Lf1和副边补偿电感Lf2均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节实现电感值调节。
优选地，如图2所示，自动调节的原边补偿电感Lf1和副边补偿电感Lf2均具有滑动触头 P，随触头P的左右移动，接入电路的电感线圈长度随之变化，相应的电感值也随之变化。
优选地，自动调节的各相应电容(C1、C2、Cf1和Cf2)均采用可变电容阵列，如图3所示，所述可变电容阵列为采用若干个电容元件行串联、列并联并在各支路均设有开关元件的组合结构，各开关元件均与控制器相连，进一步优选地，所述可变电容阵列还设有一条与行串联电容元件并联的短路支路，通过所述控制器控制开关的接通与关断来改变可变电容阵列(或称为电容电路)的串并联结构，进而达到自动调节各补偿电容的功能，在系统工作频率改变的同时，最佳的补偿电容与补偿电感的值都会发生改变，控制器能够将计算好的补偿电容值和电感值输入到原边和副边的自动补偿回路中进而自动调节合适的电容值和电感值。
优选地，所述控制器自动获取工况参数并根据工况参数基于效能优化算法自动计算出系统所需补偿参数后根据系统所需补偿参数向原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路的各相应电感和电容发送相应的操作指令以调节相应的电感值和电容值，也即本发明基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统就是一种自动调节补偿电路电感和电容的装置，具体可以是采用类滑动变阻器的原副边补偿电感及可控的电容可变阵列的电容串并联元件充当各补偿电容，然后由控制器自动计算需要的补偿参数(匹配阻值和容值)，根据计算得出的匹配阻值和容值自动进行调节。也就是说，本系统中的控制器具有运算本系统补偿电容和补偿电感的参数的功能，当把系统已知的频率、输入输出电压、线圈自感、最大功率等参数写入控制器中时，其能够自动计算需要的补偿参数，并控制原边补偿电感的滑动触头(以及副边补偿电感的滑动触头)的移动位置至计算的电感值处，同时控制电容阵列内各开关的通断情况，从而使补偿电容(可变电容阵列)达到某一计算好的值。其整体结构简单、成本较低、实用性好，实现了改变工作频率时不用人工进行电路的调整，而是利用系统的自动调节的功能，显著提高了搭建电路的时间与效率，同时也便于应用在在不同的工作系统中，非常快捷方便。
优选地，所述工况参数包括但不限于系统工作频率、工作电压、工作电流、最优功率、各元器件参数。
算例：
原边发射线圈L1与副边接收线圈L2的自感值为L1和L2，其值可由万用表测量得到。
原边补偿电感Lf1和副边补偿电感Lf2的计算公式如下：
Figure 4
其中，k 为耦合系数，ω为调节频率，Vin为原边输入电压。
在串联谐振式无线电能传输系统中，当系统产生谐振的条件为：
Figure BDA0002084866260000052
补偿电路中并联部分的原边并联补偿电容Cf1和副边并联补偿电容Cf2的容值为：
Figure 2
补偿电路中串联部分的原边串联补偿电容C1和副边串联补偿电容C2的容值为：
Figure BDA0002084866260000054
C2＝C1+ΔC2 (5)
由上式可知，在发射线圈L1、接收线圈L2的自感值均固定的情况下，不同谐振频率下，补偿电路中的补偿电容和补偿电感的电容值和电感值都相应改变，而传统的无线电能传输系统中，补偿电容和补偿电感(或者谐振电感与谐振电容)在出厂时已经固定，无法更改，但是本系统可以实现在改变系统工作频率(主要指谐振频率)的同时，谐振电路的电容和电感能够自动调节到最佳值，节约人力连接电路的时间，结合图4所示的系统工作流程图，具体完成上述自动调节的过程如下：
系统恒压进行供电，发射端开始工作；
首先输入系统的工作频率f0，根据2πf＝ω代入上式中，得到ω0；同时根据经验设耦合系数k＝k0；
系统正常工作后，用电压表测得原边输入电压Vin，用电流表测得副边补偿电流if2；
Figure 5
根据公式(6)，求得耦合系数k的真实值；
保持L1、L2、Cf1、Cf2不变，当调节频率ω时，观察原边输入电压Vin是否满足条件，若满足条件，则可通过上述公式重新计算Lf1、C1、Lf2、C2，并且系统电路实现自动调节，若不满足条件，则需要重新调整系统工作频率ω，再次进行计算和调节。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括发射端电源、逆变电路和发射线圈，所述接收端包括接收线圈、整流电路和接收端负载，其特征在于，所述系统还包括控制器，所述发射端还包括原边LCC补偿电路，所述接收端还包括副边LCC补偿电路，所述原边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述副边LCC补偿电路包括均与控制器相连并均在控制器的作用下自动调节的副边串联补偿电容、副边并联补偿电容和副边补偿电感，所述原边补偿电感与原边串联补偿电容依次串联设置在逆变电路和发射线圈之间，所述原边串联补偿电容和发射线圈串联后再并联所述原边并联补偿电容，所述副边串联补偿电容与副边补偿电感依次串联设置在接收线圈和整流电路之间，所述接收线圈和副边串联补偿电容串联后再并联所述副边并联补偿电容；所述控制器自动计算需要的包括匹配阻值和容值的补偿参数并对原边补偿电感、副边补偿电感以及原边串联补偿电容、副边串联补偿电容自动调节控制，所述原边补偿电感和副边补偿电感采用类滑动变阻器结构，自动调节的各相应电容均采用可变电容阵列，在元器件不发生变动的情况下进行参数调节以保证系统工作频率与元器件参数的一致性；
所述控制器自动获取工况参数并根据工况参数基于效能优化算法自动计算出系统所需补偿参数后根据系统所需补偿参数向原边LCC补偿电路和副边LCC补偿电路的各相应电感和电容发送相应的操作指令以调节相应的电感值和电容值；
原边补偿电感Lf1和副边补偿电感Lf2的计算公式如下：
Figure FDA0003173204230000011
其中，k为耦合系数，ω为调节频率，Vin为原边输入电压，L1和L2为原边发射线圈L1与副边接收线圈L2的自感值；
在串联谐振式无线电能传输系统中，当系统产生谐振的条件为：
Figure FDA0003173204230000012
补偿电路中并联部分的原边并联补偿电容Cf1和副边并联补偿电容Cf2的容值为：
Figure FDA0003173204230000013
补偿电路中串联部分的原边串联补偿电容C1和副边串联补偿电容C2的容值为：
Figure FDA0003173204230000021
C2＝C1+ΔC2 (5)
在发射线圈L1、接收线圈L2的自感值均固定的情况下，不同谐振频率下，补偿电路中的补偿电容和补偿电感的电容值和电感值都相应改变，本系统在改变系统工作频率的同时，谐振电路的电容和电感能够自动调节到最佳值，完成所述自动调节的过程如下：
系统恒压进行供电，发射端开始工作；首先输入系统的工作频率f0，根据2πf＝ω代入上式中，得到ω0；同时根据经验设耦合系数k＝k0；系统正常工作后，用电压表测得原边输入电压Vin，用电流表测得副边补偿电流if2；
Figure FDA0003173204230000022
根据公式(6)，求得耦合系数k的真实值；
保持L1、L2、Cf1、Cf2不变，当调节频率ω时，观察原边输入电压Vin是否满足条件，若满足条件，则可通过上述公式(1)—(5)重新计算Lf1、C1、Lf2、C2，并且系统电路实现自动调节，若不满足条件，则需要重新调整系统工作频率ω，再次进行计算和调节。
2.根据权利要求1所述的基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿电感和副边补偿电感均分别采用一个上接线端和一个下接线端串联入电路的连接方式。
3.根据权利要求2所述的基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，其特征在于，自动调节的原边补偿电感和副边补偿电感均具有滑动触头，随触头的左右移动，接入电路的电感线圈长度随之变化，相应的电感值也随之变化。
4.根据权利要求1所述的基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，其特征在于，所述可变电容阵列为采用若干个电容元件行串联、列并联并在各支路均设有开关元件的组合结构，各开关元件均与控制器相连。
5.根据权利要求4所述的基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，其特征在于，所述可变电容阵列还设有一条与行串联电容元件并联的短路支路。
6.根据权利要求1所述的基于LCC补偿网络的参数自调节无线充电系统，其特征在于，所述工况参数包括但不限于系统工作频率、工作电压、工作电流、最优功率、各元器件参数。
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