CN113078739B - 一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法 - Google Patents

一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，在分析电场耦合无线电能传输系统总的输入阻抗的基础上，推导出输出电流恒定的条件以及恒流输出时的电流增益表达式，根据电流增益表达式并以耦合器的面积作为约束条件确定系统的工作频率和补偿电容；根据输出电流恒定条件以及确定的工作频率、补偿电容计算补偿电感；若补偿电感中的任意一个大于预设的电感阈值，则修改工作频率、补偿电容中的至少一个，直至补偿电感均不大于电感阈值；对基于本方法设计的系统参数进行仿真实验，表明系统输出电流与负载阻抗无关；该设计方法解决了系统负载阻抗发生变化时输出电流不稳定的问题，使系统具有优异的输出电流恒定特性。

Description

一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法。
背景技术
电场耦合式无线电能传输是一种近场无线能量传输的方式，目前已经被国内外众多专家学者证实可以高效地进行不同功率等级的电能传输，并具有其独特的优势。
恒定输出特性是保证供电质量的一个非常重要的方面，目前的研究重点也致力于使无线电能传输系统能提供稳定的输出。一些用电设备希望恒定的电流作为输入，如大部分蓄电池在充电的前期就需要稳定的电流。目前常用的双侧LC补偿的电场耦合无线电能传输的恒流输出方法，主要是通过设置工作频率与发射端或接收端的LC补偿网络的固有谐振频率满足特定的关系来实现，其主要缺点是补偿网络中的各元器件及耦合电容之间的谐振关系不明确，不利于指导电路参数设计，且恒流输出的条件设定的工作频率，在一定情况下与LC补偿网络的固有谐振频率非常接近，不利于工程实现。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，使电场耦合无线电能传输系统具有输出电流与负载无关(在一定范围内)的恒流输出特性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电场耦合无线电能传输系统包括依次相连的直流电源、高频逆变电路、由补偿电感L1和补偿电容C1构成的发射端LC补偿网络、由两个平行板电容器构成的耦合器、由补偿电感L2和补偿电容C2构成的接收端LC补偿网络和整流滤波电路；该方法包括以下步骤：
S1：获取设定的直流电源输入电压Uin及系统输出电流Iout，并根据
Figure BDA0002982322810000021
计算电流增益G；
S2：获取初始选定的工作频率f、及补偿电容C1和C2，根据
Figure BDA0002982322810000022
计算两个平行板电容器串联的等效耦合电容CS；
其中，j是虚数单位；ω是系统工作角频率，且ω＝2πf；
S3：根据所述等效耦合电容CS计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定系统的工作频率f、及补偿电容C1和C2；
S4：根据步骤S3确定的工作频率f、及补偿电容C1和C2分别计算补偿电感L1,L2；
Figure BDA0002982322810000023
S5：若补偿电感L1,L2中的任意一个大于预设的电感阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个，重复执行步骤S3-S4，直至补偿电感L1,L2均不大于所述电感阈值；
S6：输出满足条件的工作频率f、补偿电容C1和C2，以及补偿电感L1,L2。
优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，步骤S3中具体包括：
S31：根据所述等效耦合电容CS及公式
Figure BDA0002982322810000024
分别计算两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce；
S32：根据所述耦合电容Co、Ce及公式
Figure BDA0002982322810000031
分别计算每个平行板电容器的面积S；其中，C＝Co或Ce，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示已知的平行板电容器的传输距离；
S33：若任意一个平行板电容器的面积S大于预设的面积阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个，重复执行步骤S31-S32，直至两个平行板电容器的面积S均不大于所述面积阈值。
优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，步骤S31中，按照第一约束条件计算两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce，所述第一约束条件为：Co＝kCe，k＝0.1-10；为了得到相对较大的等效耦合电容，Co、Ce通常设置为等大，即Co＝Ce。
优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，步骤S33中，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2时，按照第二约束条件限定补偿电容C1的大小，所述第二约束条件为：补偿电容C1的取值不大于50Cs。
优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电感阈值不超过50uH。
优选的，上述电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，两个平行板电容器的面积相等。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明在分析电场耦合无线电能传输系统总的输入阻抗的基础上，推导出输出电流恒定的条件以及恒流输出时的电流增益表达式，并通过输出电流恒定的条件明确指出了补偿网络及耦合电容之间的谐振关系，在此基础上给出系统主要电路参数设计的方法。对基于本方法设计的系统参数进行仿真实验，验证系统在不同负载条件下的输出电流恒定特性，结果表明系统输出电流与负载阻抗无关，具有优异的输出电流恒定特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的电路结构示意图；
图2为本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的流程示意图；
图3为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的简化电路示意图；
图4为电场耦合无线电能传输系统的谐振关系示意图；其中，(a)表示发射端补偿网络形成的谐振腔；(b)表示接收端补偿网络形成的谐振腔；
图5为本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的仿真数据；其中，(a)～(g)分别表示不同负载条件的输出电流波形；(h)表示负载为5～100Ω时的输出电流曲线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
图1为本实施例提供的电场耦合无线电能传输系统的电路结构示意图，如图1所示，该系统包括直流电源、高频逆变器、发射端LC补偿网络、耦合器、接收端LC补偿网络、整流器和负载。其中，发射端LC补偿网络包括补偿电感L1和补偿电容C1，接收端LC补偿网络包括补偿电感L2和补偿电容C2，耦合器由两对金属极板构成；补偿电感L1的一端连接高频逆变电路的第一输出端，该补偿电感L1的另一端连接第一个平行板电容器的发射极板以及补偿电容C1的一端，该补偿电容C1的另一端连接所述高频逆变电路的第二输出端以及第二个平行板电容器的发射极板；补偿电感L2的一端连接第一个平行板电容器的接收极板以及补偿电容C2的一端，该补偿电感L2的另一端连接整流器的第一输入端，补偿电容C2的另一端连接第二个平行板电容器的接收极板以及整流滤波器的第二输入端，每个平行板电容器发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输。
高频逆变器通过PWM信号控制，将直流电源转换成高频的交流电源，并为系统的补偿网络设定频率工作点；发射端LC补偿网络和接收端LC补偿网络在设定的频率工作点下产生谐振，以增强能量传输的能力；耦合器是由两对金属极板构成两个平行板电容器，使系统形成无线能量传输的闭合回路，两个平行板电容器在电路中是串联的关系；整流器将接收到的高频交流电能转换成直流供负载使用。为了便于计算，负载假定为纯阻性负载，为减小负载获得直流电压的脉动，通常在负载两端并联一个滤波电容Cout。
图2示出了本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法，其参数设计的流程主要包括以下步骤：
步骤1：按照设计需求确定直流电源输入电压Uin、系统输出电流Iout，根据式(1)算出系统的电流增益G；
Figure BDA0002982322810000051
步骤2：选定工作频率f、补偿电容C1和C2，根据式(2)计算出耦合器的等效耦合电容CS；
Figure BDA0002982322810000052
其中，j是虚数单位，ω是系统工作角频率，且ω＝2πf，等效耦合电容CS是两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce串联后的串联等效电容。
一般来说，目前电场耦合无线电能传输系统的工作频率f通常在100kHz至数MHz范围。
步骤3：根据上述等效耦合电容CS计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定系统的工作频率f、及补偿电容C1和C2；
作为一个可选的实施例，上述以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定系统的工作频率f、及补偿电容C1和C2具体包括：
(1)根据等效耦合电容CS、预置的第一约束条件以及式(3)分别计算两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce；
Figure BDA0002982322810000061
第一约束条件为：为了得到相对较大的等效耦合电容，Co、Ce通常设置为等大，即Co＝Ce，也可以根据需要设计成特定比例k，即Co＝kCe；
(2)获取两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce后，根据式(4)计算耦合器中每个平行板电容器的面积S；
Figure BDA0002982322810000062
其中，C＝Co或Ce，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，S、d分别是平行板电容器中发射极板与接收极板的正对面积和传输距离。传输距离d(即发射极板与接收极板之间的距离)为根据系统应用场景选取的设定值。
(3)判断两个平行板电容器的面积是否均小于预设的面积阈值Smax，若是，进入下一步；
若否，则返回步骤2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个；重复执行步骤(1)-步骤(2)，直至两个平行板电容器的面积S均不大于所述面积阈值；
需要说明的是，平行板电容器面积的最大限值Smax是指受应用场景约束所能达到的一个耦合器面积的最大值，比如应用于手机的无线供电，耦合器面积的最大值应不能超过手机本身的大小。
通常两对耦合极板设计成等大的金属板，以得到相对较大的等效耦合电容，当然也可以根据实际需求设计成大小不同的两对金属板。
步骤4：在步骤3确定的工作频率f、补偿电容C1、C2的基础上，根据式(5)计算出补偿电感L1,L2；
Figure BDA0002982322810000071
步骤5：判断补偿电感L1,L2是否均小于预设的电感阈值Lmax，若是，则进入下一步；
若否，则返回步骤2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个；重复执行步骤3-步骤4，直至补偿电感L1,L2均不大于所述电感阈值；
需要说明的是，为了避免高工作频率条件下产生的磁滞损耗，补偿电感L1,L2通常设计成空心线圈，但这势必造成线圈体积和绕线长度都增大，而一般的应用场合对线圈体积都是有要求的，绕线长度与线圈的寄生电阻也是正相关的，会直接带来能量损耗，因此需要确定L1,L2的最大限值Lmax，Lmax一般不宜超过50uH。
在步骤3、4中，根据预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2时，按照第二约束条件限定补偿电容C1的大小，该第二约束条件为：补偿电容C1的取值不大于50Cs。发射端LC补偿网络中的补偿电容C1与两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce不宜相差太大，否则会因为分流作用，降低系统能量传输的能力，通常C1应小于50倍的Cs。
步骤6：输出满足条件的工作频率f、及补偿电容C1和C2，以及耦合电容Co、Ce和补偿电感L1,L2；根据输入逆变器和整流器的电压电流等级选择MOSFET和整流二极管，至此完成系统的主要参数设计。
下面结合附图对本实施例提供的电场耦合式无线电能传输系统参数设计方法的设计原理进行详细说明。
将图1中的电路原理图简化，即把高频逆变器输出看成一个高频电压源，整流器和负载等效为一个负载电阻Req,得到图3所示的简化电路图，Co、Ce分别是两块耦合极板形成的耦合电容，它们在电路中是串联关系，串联等效电容用Cs表示。于是，
Figure BDA0002982322810000081
Figure BDA0002982322810000082
图3中各部分的阻抗可表示为式(7)(8)(9)：
Figure BDA0002982322810000083
Figure BDA0002982322810000084
Zin＝jωL1+Z2 式(9)
将式(7)(8)代入(9)，得到简化的等效电路中系统总输入阻抗Zin的表达式如下：
Figure BDA0002982322810000085
其中，
Δ1＝(C2+CS)-ω2L1(C1C2+C1CS+C2CS)
Δ2＝(C1+CS)-ω2L2(C1C2+C1CS+C2CS)
电压UC1、UC2、Uout可分别表示为式(11)(12)(13)：
Figure BDA0002982322810000091
Figure BDA0002982322810000092
Figure BDA0002982322810000093
当△1、△2满足式(14)时，
Figure BDA0002982322810000094
综合式(7)(8)(10)(11)(12)(13)(14)，可计算出输出电压Uout:
Figure BDA0002982322810000095
由于当整流器带电容滤波的负载时，如果时间常数RLCout>>T＝1/f时，在忽略整流二极管压降的情况下，负载RL的电压将非常接近Uout。综合式(14)、(15)，可得到负载RL的电流表达式如下：
Figure BDA0002982322810000096
从而得到系统的输出电流增益表达式如下：
Figure BDA0002982322810000097
由式(17)可知，电流增益与负载阻抗RL无关，于是可以得出结论：系统恒流输出的条件就是满足式(14)中的关系；进一步的，式(14)可转换为式(18)的形式：
Figure BDA0002982322810000101
由式(18)可以清楚地看出谐振关系：即发射端补偿电感L1与系统中的第一总电容进行谐振，该第一总电容为接收端的补偿电容C2与耦合电容CS串联后再与发射端的补偿电容C1并联形成；接收侧补偿电感L2与系统中的第二总电容进行谐振，该第二总电容为发射端补偿电容C1与耦合电容CS串联后再与接收端的补偿电容C2并联形成。图4(a)(b)中的虚线方框分别标识出了发射侧和接收侧的谐振腔。
根据式(17)可以得出输出功率的计算公式如下：
Figure BDA0002982322810000102
再根据式(11)(12)就可以确定各谐振元器件及耦合器大小参数。
Figure BDA0002982322810000103
Figure BDA0002982322810000104
本发明在理论分析的基础上，推导出系统恒流输出的条件，进而根据该恒流输出条件设计恒流型的双侧LC补偿的电场耦合式无线电能传输系统的参数设计方法；并根据该方法设计了一套完整的系统参数，详见表1；根据表1中的参数搭建仿真和实验平台，以验证该方法的正确有效性。
表1基于本实施例提供的参数设计方法生成的系统参数
Figure BDA0002982322810000105
Figure BDA0002982322810000111
图5(a)～(g)是负载分别为5Ω、10Ω、20Ω、30Ω、40Ω、50Ω、100Ω时系统的输出电流波形及数据,(h)是负载为5～100Ω时的输出电流曲线。从图5可以看出，在不同负载的情况下得到的输出电流均稳定在6.4A左右，在重载的情况下，由于直流输入的电流增加，使得元器件内阻损耗的电压降增大，从而使输出的电流略有下降。从不同负载电阻的输出电流波形看，重载时由于负载电阻RL和滤波电容Cout组成的阻容负载，其时间常数RLCout增大，使得输出电流达到稳定状态的时间变长。
本发明在理论分析和仿真验证的基础上，按表1中的系统参数搭建了实验平台，进一步验证系统在不同负载条件下的输出电流恒定特性。实验测试结果表明，输出电流恒定特性和仿真结果基本一致，且整个系统的DC-DC效率可达96.7％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种恒流输出的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，所述电场耦合无线电能传输系统包括依次相连的直流电源、高频逆变电路、由补偿电感L1和补偿电容C1构成的发射端LC补偿网络、由两对金属极板构成的耦合器、由补偿电感L2和补偿电容C2构成的接收端LC补偿网络和整流滤波电路；其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：获取设定的直流电源输入电压Uin及系统输出电流Iout，并根据
Figure FDA0003618636030000011
计算电流增益G；
S2：获取初始选定的工作频率f、及补偿电容C1和C2，根据
Figure FDA0003618636030000012
计算两个平行板电容器串联的等效耦合电容CS；
其中，j是虚数单位；ω是系统工作角频率，且ω＝2πf；
S3：根据所述等效耦合电容CS计算每个平行板电容器的面积，并以平行板电容器的面积作为约束条件，通过循环迭代确定系统的工作频率f、及补偿电容C1和C2；具体包括：
S31：根据所述等效耦合电容CS及公式
Figure FDA0003618636030000013
分别计算两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce；
S32：根据所述耦合电容Co、Ce及公式
Figure FDA0003618636030000014
分别计算每个平行板电容器的面积S；其中，C＝Co或Ce，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示预先设定的无线电能传输距离，即耦合极板的距离；
S33：若任意一个平行板电容器的面积S大于预设的面积阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个，重复执行步骤S31-S32，直至两个平行板电容器的面积S均不大于所述面积阈值；
S4：根据步骤S3确定的工作频率f、及补偿电容C1和C2分别计算补偿电感L1,L2；
Figure FDA0003618636030000021
S5：若补偿电感L1,L2中的任意一个大于预设的电感阈值，则返回步骤S2，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2中的至少一个，重复执行步骤S3-S4，直至补偿电感L1,L2均不大于所述电感阈值；
S6：输出满足条件的工作频率f、补偿电容C1和C2，以及补偿电感L1,L2。
2.如权利要求1所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，步骤S31中，按照第一约束条件计算两个平行板电容器的耦合电容Co、Ce，所述第一约束条件为：Co＝kCe，其中，k＝0.1-10。
3.如权利要求1所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，步骤S33中，按照预置的步长修改工作频率f、补偿电容C1、C2时，按照第二约束条件限定补偿电容C1的大小，所述第二约束条件为：补偿电容C1的取值不大于50Cs。
4.如权利要求1-3任一项所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，所述电感阈值不超过50uH。
5.如权利要求1-3任一项所述的电场耦合无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，两个平行板电容器的面积相等。
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