CN110855020B - 基于lccl-lc补偿的恒压无线充电系统及参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LCCL‑LC补偿的恒压无线充电系统及参数设计方法，所述的恒压无线充电系统包括：直流电压源、逆变电路、LCCL‑LC补偿网络、松耦合变压器、整流电路、负载，直流电压源将直流电输入到逆变电路后转化为高频交流电，经过LCCL‑LC补偿网络补偿后，在松耦合变压器中由初级线圈通过电磁感应将电能传输到次级线圈，最后经过次级整流电路，实现负载的恒压无线供电。该发明能够实现初次级以谐振频率工作，并且实现初级线圈恒流、次级恒压输出的效果，从而有效提高无线充电的稳定性、传输效率和传输功率，满足了无线充电恒压输出的需求。

Description

基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统及参数设计方法
所属技术领域
本发明涉及电磁感应式无线充电技术领域，具体涉及一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统及参数设计方法。
背景技术
电气时代开始至今，有线充电一直存在电线布局交叉繁复、插拔次数过多等现象，导致线路磨损、有触电和放电风险、使用麻烦、受环境影响大等问题；然而，无线充电实现了电气隔离，可避免触电和放电风险、使用安全灵活、有利于实现接口标准化和充电自动化。此外，在易燃易爆和水下等特殊环境，无线电能传输更是体现明显优势。
无线充电技术中，初级线圈电流恒定意味着能够产生稳定磁场，从而保证在初次级之间能够稳定传输电能，次级线圈才能获取稳定电压。然而，传统的无线充电系统中，当次级负载发生动态变化时会改变系统的谐振频率，从而使电压电流不稳定，一般的做法是增加电压控制电路，如buck电路和boost电路，但此举无疑增加了系统结构的复杂性和电能损耗。
发明内容
为了克服现有解决方案的缺陷，本发明的目的在于提供基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统及参数设计方法，该系统及方法使得系统工作状态不受负载变化的影响，不仅实现了系统以谐振频率稳定工作，初级线圈恒流，次级恒压输出，并且简化了系统结构，提高无线充电效率。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，所述的充电系统包括直流电压源、逆变电路、LCCL-LC补偿网络、整流电路、负载，所述的LCCL-LC补偿网络包括初级电路中的补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp、初级线圈Lp和次级电路中的次级线圈Ls、补偿电容Cs，其中，初级线圈Lp和次级线圈Ls组成松耦合变压器，初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls；补偿电容Cp与初级线圈Lp串联，抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到等效电感L；补偿电容C1和等效电感L构成并联谐振回路，补偿电感L1串联在逆变电路的输出端，补偿电容Cs和次级线圈Ls构成串联谐振回路；
直流电压源与逆变电路连接，直流电压源将直流电输入到逆变电路后，由逆变电路转化为高频交流电；高频交流电经过由补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp组成的初级电路后传输到初级线圈Lp；在松耦合变压器中初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls，然后经过串联补偿电容Cs，最后经过整流电路得到直流电，实现恒压输出给负载R供电。
进一步地，所述的初级线圈Lp等于次级线圈Ls，补偿电容Cp抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到的等效电感L满足
Figure BDA0002267562230000023
并且补偿电感L1等于等效电感L，其中ω为谐振频率。
进一步地，所述的谐振频率
Figure BDA0002267562230000022
进一步地，所述的初级线圈Lp和次级线圈Ls的相对位置保持固定，即互感M保持恒定。
进一步地，负载电压UR与直流输入电压U之比，即电压增益
Figure BDA0002267562230000031
进一步地，所述的逆变电路采用PWM控制的全桥逆变电路，利用PWM控制全桥逆变电路开关管的通断来控制工作频率和占空比。
进一步地，所述的补偿电感L1采用铁氧体电感，所述的补偿电容C1和补偿电容Cp采用薄膜电容。
进一步地，所述的松耦合变压器中初级线圈Lp和次级线圈Ls采用一对带磁芯的平面式线圈。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于以上电路系统，本发明还提出一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电的参数设计方法，按以下步骤进行：
S1、根据实际情况设定负载电阻R、谐振频率ω；
S2、根据等效电感L满足
Figure BDA0002267562230000032
由此选择合适的初级线圈Lp和补偿电容Cp，其中ω为谐振频率，同时令初级线圈Lp和次级线圈Ls的自感值相等，即Ls＝Lp；
S3、为使次级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure BDA0002267562230000033
由此确定补偿电容Cs的值；
S4、为使初级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure BDA0002267562230000034
由此确定补偿电容C1的值；
S5、验证参数设计的正确性和合理性。
进一步地，所述的步骤S2中初级线圈恒流的条件为：逆变电路工作频率等于谐振频率ω。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明能够实现初、次级电路以谐振频率稳定工作，并且不受负载变化的影响，实现初级线圈恒流，次级恒压输出。从而有效提高无线充电的稳定性、传输效率和传输功率。
2)本发明的电压增益
Figure BDA0002267562230000041
可通过减小等效电感L来提高电压增益，同时降低对互感M的要求，即降低对初次级线圈的距离或对准的要求。
3)本发明中公开的充电系统采用LCCL-LC补偿网络，与传统无线充电系统相比，在实现无线充电恒压输出的同时，能够有效降低系统结构的复杂性和电能损耗。
附图说明
图1是本发明中实施例1的系统电路结构图；
图2是本发明中LCCL-LC补偿结构的电路结构图；
图3是本发明中参数设计方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，包括直流电压源、逆变电路、LCCL-LC补偿网络、整流电路、负载，
所述的LCCL-LC补偿网络包括初级电路中的补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp、初级线圈Lp和次级电路中的次级线圈Ls、补偿电容Cs，其中，初级线圈Lp和次级线圈Ls组成松耦合变压器，初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls；补偿电容Cp与初级线圈Lp串联，抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到等效电感L；补偿电容C1和等效电感L构成并联谐振回路，补偿电感L1串联在逆变电路的输出端，补偿电容Cs和次级线圈Ls构成串联谐振回路；
直流电压源与逆变电路连接，直流电压源将直流电输入到逆变电路后，由逆变电路转化为高频交流电；高频交流电经过由补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp组成的初级电路后传输到初级线圈Lp；在松耦合变压器中初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls，然后经过串联补偿电容Cs，最后经过整流电路得到直流电，实现恒压输出给负载R供电。
其中，初级线圈Lp等于次级线圈Ls，补偿电容Cp抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到的等效电感L满足
Figure BDA0002267562230000051
并且补偿电感L1等于等效电感L，其中ω为谐振频率，谐振频率
Figure BDA0002267562230000052
初级线圈Lp和次级线圈Ls的相对位置保持固定，即互感M保持恒定。
负载电压UR与直流输入电压U之比，即电压增益
Figure BDA0002267562230000053
其中，直流电压源可由市电和整流电路所组成的；
其中，逆变电路采用PWM控制的全桥逆变电路，可利用PWM控制全桥逆变电路开关管的通断来控制工作频率和占空比；
其中，LCCL-LC补偿网络中，补偿电感L1采用铁氧体电感，补偿电容C1和补偿电容Cp采用薄膜电容；
其中，松耦合变压器采用一对带磁芯的平面式线圈；
其中，整流电路可采用二极管不控整流桥以及滤波电容。
实施例二
如图2所示，本实施例公开了一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统的参数设计方法，具体包括以下步骤：
T1、根据实际情况设定负载电阻R、谐振频率ω；
T2、根据等效电感L满足
Figure BDA0002267562230000061
由此选择合适的初级线圈Lp和补偿电容Cp，同时令初次级线圈的自感值相等，即Ls＝Lp；
T3、为使次级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure BDA0002267562230000062
由此确定补偿电容Cs的值；
T4、由变压器原理，次级反射阻抗
Figure BDA0002267562230000063
为使初级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure BDA0002267562230000064
由此确定补偿电容C1的值；初级等效输入阻抗
Figure BDA0002267562230000065
由此可见，Zin为纯阻性；初级输入电流
Figure BDA0002267562230000066
T5、初级线圈电流
Figure BDA0002267562230000067
次级输出电压即负载电压
Figure BDA0002267562230000071
T6、验证参数设计的正确性和合理性。
为验上述参数设计方法，利用MATLAB/Simulink软件搭建如图1所示的系统仿真模型，验证基于LCCL-LC补偿的无线充电系统的恒压特性。具体的仿真参数取值如表1，仿真结果如图3和表2，结果表明，输出电压基本保持46.4V，与负载大小无关。
表1.仿真参数取值表
参数 U f <![CDATA[L<sub>1</sub>]]> <![CDATA[C<sub>1</sub>]]> <![CDATA[L<sub>p</sub>]]> <![CDATA[C<sub>p</sub>]]> <![CDATA[L<sub>s</sub>]]> <![CDATA[C<sub>s</sub>]]> M
数值 48V 200KHz 30uH 21.11nF 80uH 12.67nF 80uH 7.92nF 30uH
表2.仿真结果表
负载/Ω 20 25 30 35 40 45 50
输出电压/V 46.25 46.46 46.40 46.73 46.15 46.71 46.33
综上所述，该发明能够实现初次级以谐振频率工作，电压增益可灵活调整，实现初级线圈恒流，次级恒压输出。从而有效提高无线充电的稳定性、传输效率和传输功率，满足了无线充电恒压输出的需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的充电系统包括直流电压源、逆变电路、LCCL-LC补偿网络、整流电路、负载，所述的LCCL-LC补偿网络包括初级电路中的补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp、初级线圈Lp和次级电路中的次级线圈Ls、补偿电容Cs，其中，初级线圈Lp和次级线圈Ls组成松耦合变压器，初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls；补偿电容Cp与初级线圈Lp串联，抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到等效电感L；补偿电容C1和等效电感L构成并联谐振回路，补偿电感L1串联在逆变电路的输出端，补偿电容Cs和次级线圈Ls构成串联谐振回路；
直流电压源与逆变电路连接，直流电压源将直流电输入到逆变电路后，由逆变电路转化为高频交流电；高频交流电经过由补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容Cp组成的初级电路后传输到初级线圈Lp；在松耦合变压器中初级线圈Lp通过电磁感应将电能传输到次级线圈Ls，然后经过串联补偿电容Cs，最后经过整流电路得到直流电，实现恒压输出给负载R供电。
2.根据权利要求1所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的初级线圈Lp等于次级线圈Ls，补偿电容Cp抵消掉初级线圈Lp的部分自感，得到的等效电感L满足
Figure FDA0002267562220000011
并且补偿电感L1等于等效电感L，其中ω为谐振频率。
3.根据权利要求2所述的一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的谐振频率
Figure FDA0002267562220000012
4.根据权利要求1所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的初级线圈Lp和次级线圈Ls的相对位置保持固定，即互感M保持恒定。
5.根据权利要求4所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，负载电压UR与直流输入电压U之比，即电压增益
Figure FDA0002267562220000023
6.根据权利要求1所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的逆变电路采用PWM控制的全桥逆变电路，利用PWM控制全桥逆变电路开关管的通断来控制工作频率和占空比。
7.根据权利要求1所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的补偿电感L1采用铁氧体电感，所述的补偿电容C1和补偿电容Cp采用薄膜电容。
8.根据权利要求1所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统，其特征在于，所述的松耦合变压器中初级线圈Lp和次级线圈Ls采用一对带磁芯的平面式线圈。
9.一种基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统的参数设计方法，其特征在于，所述的参数设计方法包括以下步骤：
S1、根据实际情况设定负载电阻R、谐振频率ω；
S2、根据等效电感L满足
Figure FDA0002267562220000021
由此选择合适的初级线圈Lp和补偿电容Cp，其中ω为谐振频率，同时令初级线圈Lp和次级线圈Ls的自感值相等，即Ls＝Lp；
S3、为使次级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure FDA0002267562220000022
由此确定补偿电容Cs的值；
S4、为使初级电路以谐振频率工作，令谐振频率
Figure FDA0002267562220000031
由此确定补偿电容C1的值。
10.根据权利要求9所述的基于LCCL-LC补偿的恒压无线充电系统的参数设计方法，其特征在于，所述的步骤S2中初级线圈恒流的条件为：逆变电路工作频率等于谐振频率ω。
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