CN112165184A - 一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，包括：步骤1：确定系统输入电压输出功率、系统效率，给定谐振网络的工作频率，设定耦合机构的线圈内阻；步骤2：根据系统输出功率确定互感参数上限；步骤3：根据系统效率确定互感参数下限；步骤4：根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；步骤5：根据耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移确定耦合系数；步骤6：根据确定的耦合系数和互感值参数确定耦合机构线圈自感值参数。本发明提供一种根据系统输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，准确性高、可行性强。

Description

一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，特别是一种原副边基于SS补偿的IPT系统磁耦合机构互感与自感参数设计方法，属于电力电子技术领域中无线电能传输方向。

背景技术

随着电力的广泛应用，电气化带给人类便捷的同时，也因为电力传输需要借助导线而带来了安全隐患。无线充电技术作为一项新兴的能源供应技术，无线化输电可以有效避免传统的导线输电模式产生的漏电。特别是在海洋开发领域，近年来水下无人潜航器在世界范围内得到了巨大发展，而采用无线充电系统的水下无人潜航器可以实现整个充电过程在水下自动完成，整个充电过程可以实现水下无人潜航器的供电安全性、便捷性和隐蔽性。因此在水下航行器的能源补给等领域，无线充电系统得到了广泛的发展与应用。现有的无线充电方案中，传统的电磁感应方式对线圈的对准位置有着严格要求，错位和偏离工作距离都会极大的影响传输效率，而且进行大功率输电时容易出现散热问题，无法进行大功率的无线电能传输，采用微波式传输，电磁共振等方法传输电能的效率又比较低。现有的针对采用磁耦合IPT系统的耦合机构参数设计一般都是根据经验值确定，缺乏依据和指导性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可行性强的原副边基于SS补偿的IPT系统耦合机构互感和自感值设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，无线电能传输系统的原副边采用SS补偿网络，并且副边采用Buck-Boost变换器稳压输出，包括以下步骤：

步骤1：确定系统输入电压输出功率、系统效率，给定谐振网络的工作频率，设定耦合机构的线圈内阻；

步骤2：根据系统输出功率确定互感参数上限；

步骤3：根据系统效率确定互感参数下限；

步骤4：根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；

步骤5：根据耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移确定耦合系数；

步骤6：根据确定的耦合系数和互感值参数确定耦合机构线圈自感值参数。

本发明还包括：

1.判断设计的互感值参数和自感值参数是否满足功率与效率要求，如果满足则根据所述互感值参数与自感值参数设计耦合机构的外形；否则改变耦合机构线圈内阻，并跳转至步骤2。

2.步骤1中系统输入电压输出功率具体为：

步骤1中系统效率具体为：

其中，ω为系统工作的角频率，M为耦合机构互感值，v₁为谐振网络输入电压有效值，R_Leq为等效负载，R₁和R₂为原边和副边耦合机构线圈内阻，M为耦合机构互感值。

3.步骤2中根据系统输出功率确定互感参数上限具体为：

当等效负载R_Leq为最佳效率点对应的最佳负载时，满足：

得到系统最佳效率时系统的输出功率满足：

根据输出功率P_out确定耦合机构互感值M的上限，其中输出功率P_out选取二倍以上的给定的需求功率P_o-ref。

4.步骤3中根据系统效率确定互感参数下限具体为：

系统的效率与耦合机构互感值M关系满足：

根据设定的系统效率得到耦合机构互感值M的下限值。

5.步骤5中根据耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移确定耦合系数具体为：

谐振网络输出电压有效值v₂与谐振网络输入电压有效值v₁的比值作为电压增益G_v，G_v满足：

其中，f为系统工作频率，f_o为谐振补偿网络固有频率，f/f_o为频率偏移比，

k为耦合系数，

L₁和L₂分别为发射线圈和接收线圈的自感，ω_o为谐振补偿网络的固有谐振角频率，耦合系数k的取值满足在同样的频率偏移比变化范围内有最小的电压增益变化。

6.步骤6中根据步骤5确定的耦合系数和步骤4确定的互感值参数确定耦合机构线圈自感值参数，具体为：

本发明的有益效果：针对原边基于SS补偿补偿网络副边输出采用Buck-Boost稳压电路的无线电能传输系统，提供一种根据系统输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，准确性高、可行性强。

附图说明

图1是基于SS补偿补偿网络的IPT拓扑图。

图2是该系统在输入电压恒定的情况下的输出功率、输出电压和系统效率随S₅占空比变化的趋势图。

图3是Buck-Boost电路等效负载电阻随S₅占空比变化的趋势图。

图4是最大效率情况下，系统最大输出功率随互感变化的趋势图。

图5是系统最大效率点随互感变化的趋势图。

图6是频率偏移比范围内电压增益与耦合系数的关系图。

图7是本发明耦合机构参数设计流程图。

对附图中的主要符号及含义说明如下。

v_in为直流电源输入电压，i_in为直流电源输入电流，v₁为谐振网络输入电压有效值，S₁、S₂、S₃、S₄和S₅为开关管，i₁谐振网络输入电流有效值，C₁和C₂为原边和副边谐振补偿网络的电容，R₁和R₂为原边和副边耦合机构线圈内阻(默认两者相等)，i₂谐振网络输出电流有效值，v₂为谐振网络输出电压有效值。R_Leq为等效负载，v_m为Buck-Boost电路的输入电压，R_L为负载电阻，v_o为输出电压，i_o输出电流。v_o-ref为输出电压给定，D_η-max为等效电阻是最佳负载时对应的Buck-Boost电路的占空比，P_η-max为在最佳负载下系统的最大输出功率，P_o-inv为在最大效率传输情况下的输出功率转折点，P_o为输出功率，v_o为输出电压曲线。M为耦合机构互感值，k为耦合机构的耦合系数。G_v为v₂/v₁的值，代表系统的电压增益。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明提供了一种原副边基于SS补偿的IPT系统磁耦合机构互感与自感参数设计方法。在明确系统的输入电压、输出电压、输出电流以及谐振补偿网络的工作频率和期望的系统效率后，根据本方法可以设计和确定出耦合机构的互感与自感参数值。

采用图1中所展示的电路拓扑，对其进行阻抗分析后，结合图7耦合机构参数设计流程图，具体包括以下步骤：

第一步确定系统输入电压输出功率，谐振网络的工作频率，系统效率，同时根据经验选择线圈内阻；

第二步根据功率需求进行冗余设计后根据式(10)确定互感值上限；

第三步根据效率需求进行冗余设计后根据式(11)确定互感值下限，与第二步结合，取得互感值范围，取互感范围中间值为设计的互感值；

第四步根据IPT系统耦合机构因为环境影响可能出现的频率偏移选择耦合系数；

第五步根据耦合系数确定耦合机构的线圈自感；

第六步进行仿真验证，满足需求则可以确定耦合机构的互感与自感参数；

第七步如果无法满足功率与效率需求，改变线圈内阻，重新按照第一步到第六步的顺序进行设计。

本发明所提出是专门用于原副边采用SS补偿网络，并且副边采用Buck-Boost变换器稳压输出的无线电能传输系统的耦合机构互感自感参数的设计方法。

结合图1，本发明的目的是这样实现的：

步骤1：根据图1所示拓扑，首先确定系统功率与效率公式，假设谐振补偿络完全补偿的情况下，结合互感模型，在系统完全补偿的情况下有：

v₁＝i₁R₁-jωMi₂ (1)

0＝i₂(R₂+R_Leq)-jωMi₂ (2)

v₂＝i₂R_Leq (3)

其中，线圈内阻我们一般根据经验选择0.1-0.2Ω，此处推荐使用0.15Ω，此外有

θ为原边移相角度，设计中我们选择θ为π。

SS补偿机构的输出电压为v₂，系统最终的输出电压为v_o，二者关系如式(4)所示：

上式(2)中R_Leq与Buck-boost的开关管S₅的占空比的关系如式(5)所展示：

将式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)联立，可得到在谐振网络完全补偿的情况下，最终的输出电压v_o表达式如式(6)所示

联立式(1)、(2)在SS补偿完全补偿的情况下，系统输出功率与互感和等效负载的关系如下式(7)所示，在不考虑损耗的情况下系统的传输效率如式(8)所示：

对式(8)所示求导后，可得到最佳效率点对应的最佳负载如式(9)所示：

其中ω为系统工作的角频率，R_Leq-η为系统最佳负载值，对于耦合机构的线圈，根据式(6)、(7)、(8)和(9)可以作出图2和图3，由图2和图3可知有唯一的占空比对应一个最佳负载值使得无线电能传输系统在传输电能时有最佳效率。

步骤2：根据系统功率确定互感参数上限，将式(9)代入式(7)中，得到在系统最大效率时系统的输出功率为：

根据式(10)作图4，可以看到在完全补偿的情况下，P_o-inv点右侧系统最大效率时输出功率随着M值变化的比较平缓，一般实际使用的耦合机构由于环境的影响会导致互感值发生改变，所以在该点右侧设计互感值即使出现了因为环境影响导致的互感值变化，也不会对系统的传输功率产生较大的影响，为了保证无线充电系统有足够的功率冗余，我们会在需求功率P_o-ref的二倍以上选择互感值，据此可以确定满足系统功率冗余设计的互感值上限。

步骤3：根据系统效率确定互感参数下限，结合(2)中确定的互感值上限，可以确定同时满足功率需求和效率需求的互感值范围，取范围中间值为设计的互感值。将式(9)代入式(8)中，可以得到系统的效率与M关系有式(11)：

根据式(11)作图5，根据系统的效率需求，考虑到实际系统与理论计算的差异性，以及无线充电系统在工作过程中可能出现的耦合机构互感受环境影响发生变化的情况，我们在设计耦合机构互感值时，一般将设计的效率增加5％的效率冗余。根据设计的效率需求可以在图5中确定大于设计效率要求的互感值下限，与步骤(2)确认的互感值上限结合，即可以确定一个同时满足步骤(2)与步骤(3)需求的互感值范围，取互感范围的中间值为设计的互感参数值，可以尽可能减小由于损耗导致的系统功率或者系统效率无法满足设计要求的问题。

步骤4：根据电压增益公式，考虑到耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移现象来确定耦合系数。联立式(1)、(2)和(3)将电压v₂与谐振补偿网络的输入电压有效值v₁的比值当作电压增益G_v，有：

其中，有

ω_o为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L₁L₂为发射线圈和接收线圈的自感。实际设计过程中，发射线圈与接收线圈采用相同的结构，所以默认二者的自感值相等。假定系统工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f_o，那么f/f_o称为频率偏移比，可以反应系统在外界环境影响下互感自感值发生变化对系统电压增益的影响。同时一般为了实现软开关，会令开关频率略高于补偿网络的谐振频率，所以我们一般选择频率偏移比f/f_o的范围在1～1.07区间内。根据式(12)中所述公式作图6，图中所画的曲线从左往右分别代表频率偏移比f/f_o分别为1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06和1.07时不同耦合系数下的电压增益。在图6标示的耦合系数k₁处，在同样的频率偏移比变化范围内有最小的电压增益变化，所以选择系统耦合机构的耦合系数为k₁。

步骤5：根据耦合系数在已经确定互感的情况下可以确定自感。自感可以根据耦合系数求得，其中自感与耦合系数的关系：

步骤6：根据所设计的参数，进行仿真验证，如果最终仿真满足设计的功率与效率要求，那么可以根据此互感与自感值设计耦合机构的外形。

步骤7：如果仿真结果不能满足设计的功率与效率需求，则对线圈内阻进行修改，重新按照步骤(1)到步骤(7)的顺序设计互感与自感值。

Claims (7)

1.一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，所述无线电能传输系统的原副边采用SS补偿网络，并且副边采用Buck-Boost变换器稳压输出，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定系统输入电压输出功率、系统效率，给定谐振网络的工作频率，设定耦合机构的线圈内阻；

步骤2：根据系统输出功率确定互感参数上限；

步骤3：根据系统效率确定互感参数下限；

步骤4：根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；

步骤5：根据耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移确定耦合系数；

步骤6：根据确定的耦合系数和互感值参数确定耦合机构线圈自感值参数。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：判断设计的互感值参数和自感值参数是否满足功率与效率要求，如果满足则根据所述互感值参数与自感值参数设计耦合机构的外形；否则改变耦合机构线圈内阻，并跳转至步骤2。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：步骤1所述系统输入电压输出功率具体为：

步骤1所述系统效率具体为：

其中，ω为系统工作的角频率，M为耦合机构互感值，v₁为谐振网络输入电压有效值，R_Leq为等效负载，R₁和R₂为原边和副边耦合机构线圈内阻，M为耦合机构互感值。

4.根据权利要求3所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：步骤2所述根据系统输出功率确定互感参数上限具体为：

当等效负载R_Leq为最佳效率点对应的最佳负载时，满足：

得到系统最佳效率时系统的输出功率满足：

根据输出功率P_out确定耦合机构互感值M的上限，其中输出功率P_out选取二倍以上的给定的需求功率P_o-ref。

5.根据权利要求4所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：步骤3所述根据系统效率确定互感参数下限具体为：

系统的效率与耦合机构互感值M关系满足：

根据设定的系统效率得到耦合机构互感值M的下限值。

6.根据权利要求5所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：步骤5所述根据耦合机构在环境干扰下导致的频率偏移确定耦合系数具体为：

谐振网络输出电压有效值v₂与谐振网络输入电压有效值v₁的比值作为电压增益G_v，G_v满足：

其中，f为系统工作频率，f_o为谐振补偿网络固有频率，f/f_o为频率偏移比，

k为耦合系数，

L₁和L₂分别为发射线圈和接收线圈的自感，ω_o为谐振补偿网络的固有谐振角频率，耦合系数k的取值满足在同样的频率偏移比变化范围内有最小的电压增益变化。

7.根据权利要求6所述的一种无线电能传输系统耦合机构互感和自感值设计方法，其特征在于：步骤6所述根据步骤5确定的耦合系数和步骤4确定的互感值参数确定耦合机构线圈自感值参数，具体为：

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