CN112165183B - 一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统 - Google Patents

一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统。该方法包括：根据感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式下使感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的系统参数关系；计算感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；根据元件参数计算值，计算并判断电压增益或电流增益，是否满足增益要求，若满足增益要求，则调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关。采用本发明的方法及系统，在实现无线充电系统恒流及恒压输出模式的同时实现了逆变器软开关。

Description

一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统。
背景技术
无线充电(Wireless Power Transfer，WPT)技术由于其便捷、安全等优点近年来受到越来越多的关注，广泛应用于生物医用植入体、消费类电子产品、水下负载、电动汽车等。作为性能优异的储能单元，锂离子电池被广泛用作各种设备的储能元件，其经典的充电过程包含恒流充电(Constant current，CC)阶段及恒压充电(Constant Voltage，CV)阶段，为了延长电池的使用寿命，提升充电过程效率的同时保证充电安全性，WPT系统需具精确满足电池充电过程的电流电压需求，即具有恒流充电模式及恒压充电模式。
在WPT系统中，实现恒流充电及恒压充电主要有有源桥控制，复合拓扑切换，及定频切换三种方式。有源桥控制是指针对WPT系统的原边或者副边的有源桥进行输出控制从而调节输出模式，该种控制方式是基于破坏系统的谐振来实现模式调节的，因此难以实现逆变器零电压开关(Zero voltage switch，ZVS)，其系统效率较低，不适用于大功率场景；复合拓扑切换是指将具有恒流输出模式与恒压输出模式的拓扑混合，通过开关控制实现两种拓扑切换，从而实现恒流与恒压输出，然而该种方式导致了系统的复杂程度增加，并且增加了额外的开关器件，系统的体积、损耗及成本相对较高；定频切换方式是指通过采用高阶拓扑在不同频率下具有不同输出模式的电路特性，通过改变电路的工作频率实现恒流和恒压模式的切换，然而现阶段的定频切换方式由于其分析方法局限性，并未对电路软开关的实现进行深入讨论，其系统效率存在一定的优化空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统，基于感应耦合式无线电能传输系统的电路结构参数控制，在实现无线充电系统恒流及恒压输出模式的同时实现了逆变器软开关。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法，所述无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法基于感应耦合式无线电能传输系统；感应耦合式无线电能传输系统包括依次连接设置的逆变器、原边补偿网络、感应耦合变压器、副边补偿网络、整流滤波电路和负载；
所述方法，包括：
获取所述感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感；
根据所述感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系；
根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；
根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益；
判断所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关；若不满足增益要求，则更新所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，然后返回步骤“根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值”。
可选的，
根据零相角状态下元件参数的关系，在系统工作频率变化情况下，比较所述感应耦合式无线电能传输系统的多种元件对所述感应耦合式无线电能传输系统的输入阻抗角的影响，确定所述原边补偿网络的电感值为实现逆变器软开关的调节参数；所述感应耦合式无线电能传输系统的多种元件包括原边补偿网络的串联电容、原边补偿网络的并联电容、原边补偿网络的电感和副边补偿网络的串联电容。
可选的，所述根据所述感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系，具体包括：
根据如下公式确定所述系统参数关系：
Figure BDA0002741909420000031
其中，
Figure BDA0002741909420000032
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率。
可选的，所述根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益，具体包括：
根据如下公式确定电压增益：
Figure BDA0002741909420000033
根据如下公式确定电流增益：
Figure BDA0002741909420000034
式中，Gv为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流。
可选的，所述调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关，具体包括：
在恒流模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000041
在恒压模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000042
式中，
Figure BDA0002741909420000043
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
本发明还提供一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制系统，包括：
第一参数获取模块，用于获取所述感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感；
系统参数关系生成模块，用于根据所述感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系；
元件参数计算值计算模块，用于根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；
增益计算模块，用于根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益；
判断模块，用于判断所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则逆变器软开关实现模块；若不满足增益要求，则执行参数更新模块；
参数更新模块，用于更新所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，然后执行所述元件参数计算值计算模块；
逆变器软开关实现模块，用于调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关。
可选的，所述系统参数关系生成模块，具体包括：
系统参数关系生成单元，用于根据如下公式确定所述系统参数关系：
Figure BDA0002741909420000051
其中，
Figure BDA0002741909420000052
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率。
可选的，所述增益计算模块，具体包括：
电压增益单元，用于根据如下公式确定电压增益：
Figure BDA0002741909420000053
电流增益单元，用于根据如下公式确定电流增益：
Figure BDA0002741909420000054
式中，Gv为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流。
可选的，所述逆变器软开关实现模块，具体包括：
第一逆变器软开关实现单元，用于在恒流模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000061
第二逆变器软开关实现单元，用于在恒压模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000062
式中，
Figure BDA0002741909420000063
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统，基于感应耦合式无线电能传输系统；根据感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式下使感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的系统参数关系；计算感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；根据元件参数计算值，计算并判断电压增益或电流增益，是否满足增益要求，若满足增益要求，则调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关。本发明基于感应耦合式无线电能传输系统的电路结构参数控制，实现了无线充电系统恒流恒压输出。本发明在感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益满足增益要求时调节原边补偿网络的电感值，实现了逆变器软开关。本发明在实现电路恒流及恒压输出模式的同时实现了ZVS，能够减小逆变器的损耗，提高感应耦合式无线电能传输系统的效率，适用于大功率场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法流程图；
图2为本发明实施例中感应耦合式无线电能传输系统示意图；
图3为本发明实施例中电路简化图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法及系统，基于感应耦合式无线电能传输系统的电路结构参数控制，在实现无线充电系统恒流及恒压输出模式的同时实现了逆变器软开关。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例中无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法流程图，如图1所示，一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法，基于感应耦合式无线电能传输系统(ICPT系统)；感应耦合式无线电能传输系统包括从左至右依次连接的逆变器、原边补偿网络、感应耦合变压器、副边补偿网络、整流滤波电路和负载。
感应耦合式无线电能传输系统如图2所示，图2中，S1～S4为原边补偿网络的MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，构成一次侧全桥逆变器。D1～D4为整流滤波电路的二次侧整流二极管。L1和L2分别为感应耦合变压器发射线圈和接收线圈的自感，M为感应耦合变压器发射线圈和接收线圈之间的互感，Lf1、Cf1和C1分别为原边补偿网络(一次侧谐振补偿网络)的电感、并联电容、串联电容，C2为副边补偿网络(二次侧谐振补偿网络)的串联电容，Udc为一次侧直流输入电压，UAB为一次侧A、B两点的端电压，Uab为二次侧a、b两点的端电压，i1、i2和iLf1是通过L1、L2和Lf1的电流，Co为滤波电容，R表示负载电阻。
本发明提供的无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法，包括：
步骤101：获取感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感。
步骤102：根据感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系。
步骤102，具体包括：
根据如下公式确定系统参数关系：
Figure BDA0002741909420000081
其中，
Figure BDA0002741909420000082
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率。
步骤103：根据系统参数关系、耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感，计算感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值。
步骤104：根据元件参数计算值，计算感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益。
步骤104，具体包括：
根据如下公式确定电压增益：
Figure BDA0002741909420000091
根据如下公式确定电流增益：
Figure BDA0002741909420000092
式中，Gv为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流。
步骤105：判断感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则执行步骤107；若不满足增益要求，则执行步骤106。
步骤106：更新耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感，然后返回步骤103。
步骤107：调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关。
根据零相角状态下元件参数的关系，在系统工作频率变化情况下，比较感应耦合式无线电能传输系统的多种元件对感应耦合式无线电能传输系统的输入阻抗角的影响，确定原边补偿网络的电感值为实现逆变器软开关的调节参数；感应耦合式无线电能传输系统的多种元件包括原边补偿网络的串联电容、原边补偿网络的并联电容、原边补偿网络的电感和副边补偿网络的串联电容。
步骤107，具体包括：
在恒流模式下，调节原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000093
在恒压模式下，调节原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000094
式中，
Figure BDA0002741909420000095
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
本发明进一步说明无线充电系统恒流恒压输出的参数控制的方法，为了便于分析恒流及恒压模式的实现，将图2的电路简化为图3进行分析。
图3中，-jωMI2为副边作用于原边的感应电压，jωMI1为原边作用于副边的感应电压，I1为流出L1的电流，I2为流入L2的电流。
当副边需要实现恒压输出时，需要系统参数满足的条件如下：
Figure BDA0002741909420000101
Figure BDA0002741909420000102
此时系统的电压增益为：
Figure BDA0002741909420000103
当副边需要实现恒流输出时，需要系统参数满足的条件及电流增益如下：
Figure BDA0002741909420000104
Figure BDA0002741909420000105
式中，Le1为L1和C1的等效电感。
此时系统的电流增益为：
Figure BDA0002741909420000106
其中，ωCV为电路工作在恒压模式下电路的工作角频率，ωCC为电路工作在恒流模式下电路的工作角频率。
为了明确在恒流模式及恒压模式下各个参数之间的具体联系，需要代入ZPA(电路零相角，Zero phase angle)条件进行计算：
ZS＝jωLf1+1/jωCf1+ROUT
Figure BDA0002741909420000107
Figure BDA0002741909420000108
上式中，ZS表示副边的总输入阻抗，ZR表示副边作用在原边的反射阻抗，ZIN表示系统总输入阻抗，以两种模式下系统的总输入阻抗均为纯阻性代入计算可以得到系统各参数的表达式为：
Figure BDA0002741909420000111
Figure BDA0002741909420000112
对于给定的无线充电系统，根据电路中各器件参数关系，可计算各参数对于阻抗角的影响如表1所示。
表1参数与阻抗角的关系式
Figure BDA0002741909420000113
其中，
Figure BDA0002741909420000114
代表ZPA状态下各元件参数的取值，C1，C2，Cf1，Lf1代表实际参数取值。从图中可以看出，当C1取值增加时，整个电路在CV模式下的阻抗角为负值，整个电路呈容性，而在CC模式下时，阻抗角为正值，整个电路呈感性，即C1的变化在会使得电路在CC和CV模式下呈现不同的容感性，而ZVS的实现需要保证整个电路工作在感性状态下，因此调整C1取值无法保证电路在CC及CV模式均处于ZVS状态。同理调整C2，Cf1的取值也无法保证电路一直处于ZVS状态。而当对Lf1进行调整时，阻抗角在CC模式及CV模式下的容感性一致，因此将Lf1选定为实现ZVS的目标调整量。
根据MOSFET的元器件特性，其在导通前需要有一定量的电流给结电容放电以实现零电压开通，因此MOSFET作为开关的逆变器实现ZVS条件如下：
Figure BDA0002741909420000121
式中IOFF代表MOSFET导通前的关断电流，COSS代表MOSFET的结电容，UAB,max代表最大的输入电压，td代表死区时间。
依据电路特性，IOFF所代表的导通电流表达式如下：
IOFF＝IINsinα
式中，α为电路阻抗角。
因此可以确定Lf1的在CC及CV模式下目标调整值为：
Figure BDA0002741909420000122
Figure BDA0002741909420000123
计算出具体取值后，取其较大值保证在CC以及CV模式下均能实现ZVS。
本发明的一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制系统，包括：
第一参数获取模块，用于获取感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感。
系统参数关系生成模块，用于根据感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系。
元件参数计算值计算模块，用于根据系统参数关系、耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感，计算感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值。
系统参数关系生成模块，具体包括：
系统参数关系生成单元，用于根据如下公式确定系统参数关系：
Figure BDA0002741909420000131
其中，
Figure BDA0002741909420000132
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率。
增益计算模块，用于根据元件参数计算值，计算感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益。
增益计算模块，具体包括：
电压增益单元，用于根据如下公式确定电压增益：
Figure BDA0002741909420000133
电流增益单元，用于根据如下公式确定电流增益：
Figure BDA0002741909420000134
式中，Gv为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流。
判断模块，用于判断感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则逆变器软开关实现模块；若不满足增益要求，则执行参数更新模块。
参数更新模块，用于更新耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感，然后执行元件参数计算值计算模块。
逆变器软开关实现模块，用于调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关。
逆变器软开关实现模块，具体包括：
第一逆变器软开关实现单元，用于在恒流模式下，调节原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000141
第二逆变器软开关实现单元，用于在恒压模式下，调节原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure BDA0002741909420000142
式中，
Figure BDA0002741909420000143
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明所提出的基于LCC-S网络的WPT系统恒流恒压输出的参数设置方法基于元器件实际取值进行计算，能够直观描述各元器件在恒流及恒压模式下对于阻抗角影响，并给出了目标调整参数及其调整值，有利于实现充电过程中的ZVS，提升系统效率。并且不需要额外的辅助电路，不需要增加额外的器件，减小成本，不会增加额外器件带来的损耗。此外，没有增加额外的控制电路，比如相位检测等电路。本发明所采用的控制方式简单，易实施。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法，其特征在于，所述无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法基于感应耦合式无线电能传输系统；感应耦合式无线电能传输系统包括依次连接设置的逆变器、原边补偿网络、感应耦合变压器、副边补偿网络、整流滤波电路和负载；
所述方法，包括：
获取所述感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感；
根据所述感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系；
根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；
根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益；
判断所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则调节所述原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关；若不满足增益要求，则更新所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，然后返回步骤“根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值”；
根据所述感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系，具体包括：
根据如下公式确定所述系统参数关系：
Figure FDA0003471398460000021
其中，
Figure FDA0003471398460000022
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率；
根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益，具体包括：
根据如下公式确定电压增益：
Figure FDA0003471398460000031
根据如下公式确定电流增益：
Figure FDA0003471398460000032
式中，GV为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流；
所述调节所述原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关，具体包括：
在恒流模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure FDA0003471398460000033
在恒压模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure FDA0003471398460000034
式中，
Figure FDA0003471398460000035
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统恒流恒压输出的参数控制方法，其特征在于，
根据零相角状态下元件参数的关系，在系统工作频率变化情况下，比较所述感应耦合式无线电能传输系统的多种元件对所述感应耦合式无线电能传输系统的输入阻抗角的影响，确定所述原边补偿网络的电感值为实现逆变器软开关的调节参数；所述感应耦合式无线电能传输系统的多种元件包括原边补偿网络的串联电容、原边补偿网络的并联电容、原边补偿网络的电感和副边补偿网络的串联电容。
3.一种无线充电系统恒流恒压输出的参数控制系统，其特征在于，包括：
第一参数获取模块，用于获取感应耦合变压器的耦合系数、发射线圈的电感和接收线圈的电感；
系统参数关系生成模块，用于根据感应耦合式无线电能传输系统的拓扑结构，确定在恒流模式或恒压模式时，使所述感应耦合式无线电能传输系统实现零相角状态的所述感应耦合式无线电能传输系统的系统参数关系；
元件参数计算值计算模块，用于根据所述系统参数关系、所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的元件参数计算值；
增益计算模块，用于根据所述元件参数计算值，计算所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益；
判断模块，用于判断所述感应耦合式无线电能传输系统的电压增益或电流增益是否满足增益要求；若满足增益要求，则逆变器软开关实现模块；若不满足增益要求，则执行参数更新模块；
参数更新模块，用于更新所述耦合系数、所述发射线圈的电感和所述接收线圈的电感，然后执行所述元件参数计算值计算模块；
逆变器软开关实现模块，用于调节原边补偿网络的电感值，实现逆变器软开关；
所述系统参数关系生成模块，具体包括：
系统参数关系生成单元，用于根据如下公式确定所述系统参数关系：
Figure FDA0003471398460000051
其中，
Figure FDA0003471398460000052
式中，Lf1为原边补偿网络的电感值，L1为发射线圈的自感，L2为接收线圈的自感，k为感应耦合变压器的耦合系数，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，Cf1为原边补偿网络的并联的电容值，C1为原边补偿网络串联的电容值，C2为副边补偿网络串联的电容值，ωCC为在恒流模式下系统的工作角频率，ωCV为在恒压模式下系统的工作角频率；
所述增益计算模块，具体包括：
电压增益单元，用于根据如下公式确定电压增益：
Figure FDA0003471398460000061
电流增益单元，用于根据如下公式确定电流增益：
Figure FDA0003471398460000062
式中，GV为电压增益，I1为通过L1的电流，GI为电流增益，UOUT为输出电压，UIN为输入电压，IOUT为输出电流；
所述逆变器软开关实现模块，具体包括：
第一逆变器软开关实现单元，用于在恒流模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure FDA0003471398460000063
第二逆变器软开关实现单元，用于在恒压模式下，调节所述原边补偿网络的电感值，使调节后的原边补偿网络的电感值大于或等于
Figure FDA0003471398460000064
式中，
Figure FDA0003471398460000065
为满足增益要求时的原边补偿网络的电感值，ROUT为系统输出电阻，COSS为逆变器的MOSFET的结电容，UABmax为最大输入电压，IIN为输入电流，td为死区时间，ω为恒压模式工作角频率。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112721671B (zh) * 2021-01-15 2022-10-25 四川电力设计咨询有限责任公司 电场耦合式无线充电系统原、副边电路及充电方法
CN113315258B (zh) * 2021-06-04 2023-08-18 内蒙古工业大学 基于lcl-lcl-s混合自切换谐振式的充电方法
CN113572274A (zh) * 2021-08-17 2021-10-29 广东工业大学 一种带有lcc-lclcc补偿网络的谐振式无线电能传输系统
CN113629818A (zh) * 2021-09-02 2021-11-09 中国科学院电工研究所 无线充电系统中mosfet的关断电流确定方法及系统
CN113872340A (zh) * 2021-09-28 2021-12-31 西交利物浦大学 恒压恒流的无线充电方法以及装置
CN116167307B (zh) * 2023-04-25 2023-07-14 暨南大学 一种无线充电系统参数优化设计方法、系统、设备及介质

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103746462B (zh) * 2013-07-11 2016-01-20 重庆米亚车辆技术有限公司 一种用于无线电能传输的双边lcc补偿网络及其调谐方法
CN105186718B (zh) * 2015-10-22 2017-12-26 重庆大学 复合谐振式ecpt系统及其参数设计方法
CN106533185B (zh) * 2016-12-29 2018-12-11 哈尔滨工业大学 无线电能传输系统补偿拓扑结构
CN106961221A (zh) * 2017-04-24 2017-07-18 哈尔滨工业大学 具有恒流输出特性的无线电能传输用lc/s补偿拓扑电路
CN107769573B (zh) * 2017-11-20 2019-07-23 东南大学 双边lcc网络的wpt系统恒流恒压输出可调的参数设置方法
CN108039778B (zh) * 2017-12-19 2019-08-13 重庆大学 基于lcl-lcc补偿网络的恒压恒流wpt系统及其参数设计方法
CN109474081B (zh) * 2018-09-06 2021-07-20 西安理工大学 基于无线电能传输系统恒流-恒压输出特性的充电方法
CN109560617B (zh) * 2018-10-10 2022-11-11 武汉理工大学 任意高阶谐振电路的通用模型及建模方法
CN111030313B (zh) * 2019-12-30 2021-05-14 华南理工大学 无线电能传输系统e类逆变器zvs工作的参数设计方法

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