CN111082539A - Lcc-s拓扑、无线电能传输系统及谐波含量抑制方法 - Google Patents

Lcc-s拓扑、无线电能传输系统及谐波含量抑制方法 Download PDF

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王金虎
王成亮
郑海雁
徐妍
杨庆胜
陈宵
许道强
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Abstract

本发明公开了一种LCC‑S拓扑，适于无线电能传输系统，包括发射端和接收端；发射端包括电压源U1、第一补偿电容Cf、补偿电感Lp、发射线圈Lt、第二补偿电容Ct和第三补偿电容Cp，所述第一补偿电容Cf与补偿电感Lp、第二补偿电容Ct、发射线圈Lt顺次串联后，连接于电压源U1的电压输出端；所述第三补偿电容Cp并联于串联的发射线圈Lt和第二补偿电容Ct的两端；所述接收端包括接收线圈Ls、与接收线圈Ls串联的第四补偿电容Cs，所述接收线圈Ls与发射线圈Lt相耦合；其中，各个电感电容的取值满足以下条件：ωLp‑1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt‑1/(ωCt)。本发明通过在发射端增加了第一补偿电容Cf，同时通过合理调整补偿电感Lp的值有效降低输入端电流的高次谐波含量，减轻电源负担。

Description

LCC-S拓扑、无线电能传输系统及谐波含量抑制方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体而言涉及一种LCC-S拓扑、无线电能传输系统及谐波含量抑制方法。
背景技术
无线电能传输技术是一种非接触式电能传输技术。传统电源给设备充电时，需要通过充电线将电源与设备连接，无线电能传输技术可克服传统有线充电方式带来的一系列问题，如：布线复杂、充电插头容易老化、设备不能灵活移动等，提高了设备供电的安全可靠性。在电动汽车领域，无线充电技术发展迅速，为电动汽车提供了一种新的充电方式，并且无线充电技术能够降低电动汽车对电池的依赖，提高电动汽车充电的便利性，有利于电动汽车的大力推广。此外，在通讯、航天、海底探索等领域，无线电能传输技术也得到了大量运用。
在无线充电系统中，不同补偿拓扑能够实现不同的功能。LCC-S拓扑可以实现负载变化时的恒压输出，有利于电动汽车充电时的安全稳定。但是，系统采用LCC-S拓扑时，输入端电流含有大量谐波。其中，三次谐波的比重最大，造成输入端电流畸变，增加系统的损耗，给电源带来较大的负担。同时，也不利于电压电流的测量。
专利号为CN105720582A的发明专利“一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法”中提及一种特定谐波消除无线电能传输系统，该系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量变换发射环节、副边能量接收变换环节、原边谐波能量反向注入环节和负载，原边能量变换发射环节与原边谐波能量反向注入环节分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波能量通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用。本申请通过原边谐波能量反向注入环节和负载对三次谐波能量进行单独处理后再叠加回原高频交流信号中，以消除三次谐波含量，对基波谐振网络的设计更加简单，减少了由于负载或系统结构改变引起的系统频率稳定性及波形畸变影响，但结构较为复杂，各器件的参数值设计难度高，且只能针对三次谐波能量进行处理，难以处理其他高次谐波。
发明内容
本发明目的在于提供一种LCC-S拓扑、无线电能传输系统及谐波含量抑制方法，通过在发射端增加了第一补偿电容Cf，同时通过合理调整补偿电感Lp的值有效降低输入端电流的高次谐波含量，减轻电源负担。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种LCC-S拓扑，适于无线电能传输系统，所述LCC-S拓扑包括发射端和接收端；
所述发射端包括电压源U1、第一补偿电容Cf、补偿电感Lp、发射线圈Lt、第二补偿电容Ct和第三补偿电容Cp，所述第一补偿电容Cf与补偿电感Lp、第二补偿电容Ct、发射线圈Lt顺次串联后，连接于电压源U1的电压输出端；所述第三补偿电容Cp并联于串联的发射线圈Lt和第二补偿电容Ct的两端；
所述接收端包括接收线圈Ls、与接收线圈Ls串联的第四补偿电容Cs，所述接收线圈Ls与发射线圈Lt相耦合；
其中，各个电感电容的取值满足以下条件：
ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)
式中：ω表示系统频率。
进一步的实施例中，当无线电能传输系统工作在谐振频率时，所述系统频率ω满足以下条件：
Figure BDA0002312461940000021
进一步的实施例中，所述电压源U1的输出电压为方波。
进一步的实施例中，所述电压源U1包括直流电压源和逆变电路，所述直流电压源的输出电压经逆变电路进行逆变换以获取所述方波。
本发明还提及一种无线电能传输系统，采用前述的LCC-S拓扑。
基于前述LCC-S拓扑，本发明还提及一种无线电能传输系统的谐波含量抑制方法，所述抑制方法包括：
S1：在LCC-S拓扑的发射端设置第一补偿电容Cf，所述发射端还包括电压源U1、补偿电感Lp、发射线圈Lt、第二补偿电容Ct和第三补偿电容Cp；
将所述第一补偿电容Cf与补偿电感Lp、第二补偿电容Ct、发射线圈Lt顺次串联后，连接于电压源U1的电压输出端，所述第三补偿电容Cp并联于串联的发射线圈Lt和第二补偿电容Ct的两端；
根据系统频率ω调节发射端补偿电感Lp的值，使其满足以下条件：
ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
(1)通过在发射端增加了第一补偿电容Cf，同时通过合理调整补偿电感Lp的值有效降低输入端电流的高次谐波含量，减轻电源负担。
(2)通过合理设置电容与电感参数，输入端电流基波分量不受影响。
(3)除三次谐波外，对其他高次谐波也有抑制作用。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的LCC-S拓扑的结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
实施例一
结合图1，本发明提及一种适于无线电能传输系统的LCC-S拓扑，左侧为无线电能传输系统发射端电路，右侧为无线电能传输系统接收端电路。发射端电路包含电压源U1、补偿电感Lp、发射线圈Lt、与补偿电感Lp串联的第一补偿电容Cf、与发射线圈Lt并联的第三补偿电容Cp，发射线圈Lt串联有第二补偿电容Ct。接收端电路包含接收线圈Ls、与接收线圈Ls串联的第四补偿电容Cs，图中RL表示负载。
在无线电能传输系统发射端，各个电感电容满足以下条件：
ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)。
优选的，输入电压源U1输出电压为方波，可由直流电压源接逆变电路得到。发射线圈与接收线圈之间互感系数为M。当无线电能传输系统工作在谐振频率时，系统的频率满足：
Figure BDA0002312461940000031
将输入电压源U1进行傅里叶分解，则有：
Figure BDA0002312461940000032
其中，Uin为电压源U1的有效值。
由电压源U1的傅里叶分解式可以知道，系统输入端的电压源U1可以等效为多个电压源的叠加，这些电压源的幅值不同，频率也不同。对于系统来说，可以理解为电路里存在频率不同的电压与电流。因此，输入端电流含有大量的谐波分量，这些谐波分量会引起输入端电流的畸变。本发明实施例通过增设第一补偿电容Cf和调整补偿电感Lp的值来抑制输入端电流的谐波，使输入端谐波分量占比大大减小。
假设电路中只存在基波，只要各电感电容满足前文所述的条件，则使用此拓扑可以实现系统输出电压不受负载变化的影响保持恒定。对于高次谐波，第一补偿电容Cf和补偿电感Lp起到抑制作用。最后，输入端电流接近正弦波，系统效率得到提高。
实施例二
作为本发明的另一个实施例，本发明还提供了一种无线电能传输系统，采用前述的LCC-S拓扑。
实施例三
作为本发明的再一个实施例，本发明还提供了一种无线电能传输系统的谐波含量抑制方法，采用前述的LCC-S拓扑，根据系统频率ω调节发射端补偿电感Lp的值，使其满足以下条件：ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种LCC-S拓扑，适于无线电能传输系统，其特征在于，所述LCC-S拓扑包括发射端和接收端；
所述发射端包括电压源U1、第一补偿电容Cf、补偿电感Lp、发射线圈Lt、第二补偿电容Ct和第三补偿电容Cp，所述第一补偿电容Cf与补偿电感Lp、第二补偿电容Ct、发射线圈Lt顺次串联后，连接于电压源U1的电压输出端；所述第三补偿电容Cp并联于串联的发射线圈Lt和第二补偿电容Ct的两端；
所述接收端包括接收线圈Ls、与接收线圈Ls串联的第四补偿电容Cs，所述接收线圈Ls与发射线圈Lt相耦合；
其中，各个电感电容的取值满足以下条件：
ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)
式中：ω表示系统频率。
2.根据权利要求1所述的LCC-S拓扑，其特征在于，当无线电能传输系统工作在谐振频率时，所述系统频率ω满足以下条件：
Figure FDA0002312461930000011
3.根据权利要求1所述的LCC-S拓扑，其特征在于，所述电压源U1的输出电压为方波。
4.根据权利要求3所述的LCC-S拓扑，其特征在于，所述电压源U1包括直流电压源和逆变电路，所述直流电压源的输出电压经逆变电路进行逆变换以获取所述方波。
5.一种无线电能传输系统，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项中所述的LCC-S拓扑。
6.一种无线电能传输系统的谐波含量抑制方法，其特征在于，所述抑制方法包括：
S1：在LCC-S拓扑的发射端设置第一补偿电容Cf，所述发射端还包括电压源U1、补偿电感Lp、发射线圈Lt、第二补偿电容Ct和第三补偿电容Cp；
将所述第一补偿电容Cf与补偿电感Lp、第二补偿电容Ct、发射线圈Lt顺次串联后，连接于电压源U1的电压输出端，所述第三补偿电容Cp并联于串联的发射线圈Lt和第二补偿电容Ct的两端；
根据系统频率ω调节发射端补偿电感Lp的值，使其满足以下条件：
ωLp-1/(ωCf)＝1/(ωCp)＝ωLt-1/(ωCt)。
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