CN112104099A - 一种基于双边lc-ccm补偿结构的ipt系统最大功率传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双边LC‑CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，该最大功率传输方法应用于无线电能传输。本发明主要实现IPT系统耦合线圈互感发生变化前后始终保持最大功率传输。通过设计IPT系统的新型双边LC‑CCM补偿结构，对系统参数的选取使得系统谐振，依次求得次级侧等效阻抗和初级侧等效阻抗，初级侧等效阻抗在谐振时表现为阻性且与电源内阻相等，IPT系统实现最大功率传输。当耦合线圈互感发生变化时通过对初级侧部分的LC‑CCM补偿网络电容矩阵调节，保证初级侧等效电阻不发生改变，使得IPT系统耦合线圈互感变化后也实现最大功率传输。本发明中的电路网络搭建简单，可实现IPT系统最大功率传输。

Description

一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法
技术领域
本发明属于无线充电领域，涉及无线充电拓扑网络补偿结构问题。
背景技术
无线充电技术因其便捷性，可靠性，安全性被广泛使用于便携式移动设备，医疗设备和电动汽车等领域。作为现阶段最常见的感应电能传输(IPT)基于近磁场耦合，并且将能量从发射端传输到接收端，除了需要优化整流器，逆变器和电路线路之外，两侧的补偿电路的设计也是十分重要的。因为补偿结构具有调节谐振频率，使电源的伏安额定值最小化，提高耦合和电力传输效率。
最大功率传输定理是关于负载与电源相匹配时，负载能获得最大功率。
发明内容
本发明的目的是：通过对无线充电网络初级侧和次级侧补偿结构的设计，在耦合线圈互感发生变化的情况下保证系统的最大功率传输。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于IPT系统的双边LC-CCM(inductor-capacitor-capacitor-capacitormatrix)补偿结构所实现的最大功率传输包括以下步骤：
步骤1.设计双边对称的LC-CCM补偿结构；
步骤2.计算得到网络的谐振条件，次级侧的等效阻抗以及次级侧到初级侧的反射阻抗；
步骤3.计算得到初级侧网络的等效阻抗。
步骤4.根据电源参数选取合适的补偿网络参数以实现系统最大功率传输；
本发明的有益效果是：在互感发生变化时，调节初级侧可变电容矩阵使得初级侧等效输入阻抗不发生变化，等于电源内阻，实现系统的最大功率传输。
附图说明
图1为本发明所述基于双边LC-CCM补偿的无线电能传输谐振变换器拓扑图；
图2为带有详细补偿网络的初级侧拓扑图；
图3为初级侧网络的等效图；
图4为双边LC-CCM补偿的无线电能传输系统等效图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，具体实施方式如下：
由于初级侧和次级侧补偿网络的对称性，根据图2得到系统谐振条件：
Figure BDA0002658071290000021
CP2＝CP3，
Figure BDA0002658071290000022
根据图2得到初级侧网络的等效阻抗：
Figure BDA0002658071290000023
同理，得到次级侧网络的等效阻抗：
Figure BDA0002658071290000024
推导出反射阻抗公式：
Figure BDA0002658071290000025
通过选择合适的电路参数使系统谐振，初级侧等效阻抗Zeq1等于电源的内阻，从而实现最大功率传输，其中，在谐振时Zeq1表现为电阻性质。
当耦合线圈互感发生变化时，定义互感的变化为α＝M/Mb，其中Mb为互感的初始值，M为互感变化后的值。
在耦合线圈互感发生变化后，调节初级侧可变电容矩阵使初级侧等效阻抗Zeq1不发生变化，调节公式如下：
Figure BDA0002658071290000026

Claims (7)

1.一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征在于，所述IPT系统包括初级侧部分和次级侧部分；初级侧部分包括依次连接的直流电源、高频逆变器、LC-CCM补偿电路以及初级侧耦合线圈；LC-CCM补偿电路与所述的高频逆变器输出端连接，用于原边补偿；次级侧部分包括次级侧耦合线圈、LC-CCM补偿电路、整流器、滤波电容以及电池负载；LC-CCM补偿电路与整流器输入端连接，用于副边补偿；在次级侧网络结构中，整流器、滤波电容以及电池负载看作等效负载RE；当耦合线圈互感发生变化时,系统通过调节初级侧LC-CCM补偿电路的方法保证电源内阻等于初级侧部分的等效阻抗，从而实现系统最大功率传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，所述的初级侧部分的LC-CCM补偿电路和次级侧部分的LC-CCM补偿电路对称放置。
3.根据权利要求2所述的一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，所述的LC-CCM补偿电路，根据从左到右，从上到下的排序规则分别是：串联电感与第2电容矩阵串联、第3电容矩阵、第1电容矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，所述的初级侧部分LC-CCM补偿电路的第2电容矩阵和第3电容矩阵都是由m1个电容组成，电容值为C0/2m1-1,C0/2m1-2...C0；第1电容矩阵由m2+m3个电容组成，包括m2个电容值为C0的电容和m3个电容值为C0/2,C0/22...C0/2m3的电容并联组成，其中C0由系统频率所决定。
5.根据权利要求1所述的一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，耦合线圈互感变化定义为α＝M/Mb，M为变化后的值，Mb为互感初始值。
6.根据权利要求1所述的基于一种双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，所述调节方法是调节初级侧LC-CCM补偿电路的第1、第2和第3电容矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于双边LC-CCM补偿结构的IPT系统最大功率传输方法，其特征是，所述调节初级侧LC-CCM补偿电路的第1、第2和第3电容矩阵公式为：调节第1电容矩阵的方法为C′P1≈CP3/[α(ω2CP3LP-1)]；调节第2和第3电容矩阵的方法为C′P3＝C′P2≈CP3/[α(1-ω2LPCP3)+ω2LPCP3]，式中LP为初级侧耦合线圈电感，ω为系统谐振角频率，CP3为第3电容矩阵的初始值。
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