CN113410913A - 一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统及其最大效率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MC‑WPT技术领域，尤其涉及一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC‑WPT系统及其最大效率跟踪方法，包括能量发射端和能量接收端，能量接收端设有顺序连接的接收线圈、副边谐振网络、整流滤波电路和负载，能量接收端在整流滤波电路和负载之间设有Sepic电路。本发明采用Sepic电路作为后级DC‑DC调压电路进行阻抗匹配，通过计算推导出系统实现最大效率跟踪的负载条件，进一步给出基于阻抗匹配方式的Sepic电路的PWM占空比控制公式，以实现最大效率跟踪。

Description

一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统及其最大效率跟 踪方法

技术领域

本发明涉及MC-WPT(磁场耦合式无线电能传输)技术领域，尤其涉及一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统及其最大效率跟踪方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是指综合应用电工理论、电力电子技术、控制理论与技术等，利用磁场、电场、微波等载体实现电能从电网或电池以非电气接触的方式传输至用电设备的技术，该技术极大提升了用电设备取电的灵活性与安全性，正逐步走入人们生活与工业制造的相关领域。磁场耦合式无线电能传输(MagneticCoupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)具有功率容量大、效率高、拓扑多样等优点，在手机移动设备、家用电器、高铁供电、电动汽车充电以及水下设备等诸多领域有着广泛的应用，也受到了越来越多国内外高校、科研机构以及企业的青睐。

对于无线电能传输系统，其系统效率是最为关键的指标之一。在弱耦合情况下的一些大功率应用中，往往需要系统运行在最大效率状态，以尽可能地减小系统的损耗和运行成本。因此，最大效率传输对于提升系统性能有着至关重要的作用。然而，在实际的MC-WPT应用中，由于系统的松耦合特性，它的负载特性会在运行中出现波动，导致系统偏离最大效率工作点，造成系统传输效能下降。

发明内容

本发明提供一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统及其最大效率跟踪方法，解决的技术问题在于：如何跟随负载特性在运行中的波动，使MC-WPT系统始终处于最大效率工作点。

为解决以上技术问题，本发明首先提供一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，包括能量发射端和能量接收端，所述能量接收端设有顺序连接的接收线圈、副边谐振网络、整流滤波电路和负载，所述能量接收端在所述整流滤波电路和所述负载之间设有Sepic电路。

具体的，所述Sepic电路设有第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、功率开关管、整流二极管；

所述第一电感、所述第一电容、正向的所述整流二极管、所述负载顺序串联在所述整流滤波电路的第一输出端与第二输出端之间；所述功率开关管的第一开关端连接所述第一电感和所述第一电容的公共连接端，第二开关端连接所述整流滤波电路的第二输出端，控制端连接占空比调节器；所述第二电感一端连接所述第一电感与所述第一电容的公共连接端，另一端连接所述整流滤波电路的第二输出端；所述第二电容一端连接所述整流二极管与所述负载的公共连接端，另一端连接所述整流滤波电路的第二输出端。

优选的，所述整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容，所述滤波电容、所述第一电感、所述功率开关管构成回路；

当所述功率开关管闭合时，所述整流二极管截止，所述第一电感上的电流沿着所述滤波电容、所述第一电感、所述功率开关管构成的回路，对所述第一电感进行储能；同时，所述第一电容经过所述功率开关管对所述第二电感进行储能；同时，所述第二电容放电，给所述负载提供输出电流；

当所述功率开关管断开时，所述第二电感上产生反向电动势，使得所述整流二极管由截止变为导通；此时有两条电流途径，一条是所述第一电感提供的电流沿着所述第一电感、所述第一电容、所述整流二极管给所述负载供电，另一条是沿着所述第二电感、所述整流二极管给所述负载供电。

优选的，所述副边谐振网络采用与所述接收线圈串联的副边谐振电容。

优选的，所述能量发射端设有发射线圈以及与所述发射线圈串联的原边谐振电容。

本发明提供的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，采用Sepic电路作为后级DC-DC调压电路进行阻抗匹配，在能量传输的过程中，通过调节Sepic电路中功率开关管的占空比进行阻抗匹配，实现最大效率跟踪。

本发明还提供一种基于上述系统的最大效率跟踪方法，包括步骤：

S1：控制所述Sepic电路工作在CCM模式下；

S2：以最大化MC-WPT系统的能量传输效率为目标对所述功率开关管的占空比进行实时控制。

进一步地，在所述步骤S2中，按照如下关系对所述功率开关管的占空比D进行实时控制：

其中，R为所述负载的电阻，也是所述Sepic电路的输出阻抗；

表示MC-WPT系统以最大效率传输能量时的负载等效阻抗R_i的取值，所述系统等效阻抗R_i由所述整流滤波电路和所述负载等效而来，

ω为谐振角频率；R_p、R_s分别为所述原边谐振电容、所述副边谐振电容的内阻；M为所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感。

进一步地，忽略所述Sepic电路的损耗，依据能量守恒定律，则所述Sepic电路的输入阻抗R_r和输出阻抗R的关系表示为：

结合

可得到负载等效阻抗R_i与负载R的关系为：

进一步地，计算R_{i_maxη}按照步骤：

1)基于基尔霍夫电压定律及基尔霍夫电流定律计算MC-WPT系统的能量传输效率η：

2)通过求导并使

求得η最大时，R_i的取值为：

本发明提供的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的最大效率跟踪方法，采用Sepic电路作为后级DC-DC调压电路进行阻抗匹配，通过计算推导出系统实现最大效率跟踪的负载条件，进一步给出基于阻抗匹配方式的Sepic电路的PWM占空比控制公式，以实现最大效率跟踪。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的电路拓扑图；

图2是本发明实施例提供的一种SS型MC-WPT系统的拓扑图；

图3是本发明实施例提供的图2的等效电路图；

图4是本发明实施例提供的图1的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的仿真中加入和不加入Sepic电路的能量传输效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

为了实现MC-WPT系统的最大效率跟踪，本发明实施例首先提供一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，如图1所示，其包括能量发射端和能量接收端，能量接收端设有顺序连接的接收线圈L_s、副边谐振网络、整流滤波电路、Sepic电路和负载R。

具体的，能量发射端包括供电电源E_dc、全桥型逆变器(由4个MOSFET S₁-S₄组成)、原边谐振电容C_p与发射线圈L_p，其中电能可以由直流电源E_dc提供，也可以由交流电整流滤波之后提供。在能量接收端，整流滤波电路包括全桥整流器(由4个二极管D₁-D₄组成)和滤波电容C_f。副边谐振网络采用与接收线圈L_s串联的副边谐振电容C_s。

具体的，Sepic电路设有第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁、第二电感L₂、功率开关管S₅(N沟道)、整流二极管D₅。第一电感L₁、第一电容C₁、正向的整流二极管D₅、负载R顺序串联在整流滤波电路(滤波电容C_f)的第一输出端与第二输出端之间；功率开关管S₅的第一开关端(D极)连接第一电感L₁和第一电容C₁的公共连接端，第二开关端(S极)连接整流滤波电路(滤波电容C_f)的第二输出端，控制端(G极)连接占空比调节器(未示出)；第二电感L₂一端连接第一电感L₁与第一电容C₁的公共连接端，另一端连接整流滤波电路(滤波电容C_f)的第二输出端；第二电容C₂一端连接整流二极管D₅与负载R的公共连接端，另一端连接整流滤波电路(滤波电容C_f)的第二输出端。

当功率开关管S₅闭合时，整流二极管D₅截止，第一电感L₁上的电流沿着滤波电容C_f、第一电感L₁、功率开关管S₅构成的回路，对第一电感L₁进行储能；同时，第一电容C₁经过功率开关管S₅对第二电感L₂进行储能；同时，第二电容C₂放电，给负载R提供输出电流；

当功率开关管S₅断开时，第二电感L₂上产生反向电动势，使得整流二极管D₅由截止变为导通；此时有两条电流途径，一条是第一电感L₁提供的电流沿着第一电感L₁、第一电容C₁、整流二极管D₅给负载R供电，另一条是沿着第二电感L₂、整流二极管D₅给负载R供电。

该系统的直流电压E_dc经全桥型逆变器转换为高频交流电注入原边谐振网络(原边谐振电容C_p)，发射线圈L_p产生磁场与接收线圈L_s进行耦合，将能量传输至接收线圈L_s，副边谐振网络(副边谐振电容C_s)进一步补偿无功功率，最后经过全桥整流器和滤波电容C_f得到直流电压，经过Sepic电路为负载R提供电能，实现电能的无线传输；在能量传输的过程中通过调节Sepic电路中功率开关管S₅的占空比进行阻抗匹配，可实现最大效率跟踪。

本发明实施例还提供一种基于上述系统的最大效率跟踪方法，包括步骤：

S1：控制Sepic电路工作在CCM模式(电感电流连续导通模式)下；

S2：以最大化MC-WPT系统的能量传输效率为目标对功率开关管的占空比进行实时控制。

在DC-DC变换器中，Sepic电路能够工作在升压和降压模式，且变换输出电压极性与原电压相同，能够用于宽范围的负载匹配。

不考虑Sepic电路的SS型MC-WPT系统拓扑如图2所示，该系统的直流电压E_dc经全桥型逆变器转换为高频交流电注入原边补偿网络(原边谐振电容C_p)，发射线圈L_p产生磁场与接收线圈L_s进行耦合，将能量传输至接收线圈L_s，副边补偿网络(副边谐振电容C_s)进一步补偿无功功率，最后经过全桥整流器和滤波电容C_f，为负载电阻R提供电能，实现电能的无线传输。

图3为图2所示SS型MC-WPT系统的等效电路图，其中，u_in为逆变输出等效的高频电压源。R_p、R_s分别为发射线圈L_p、接收线圈L_s的内阻。M为原副边线圈间的互感，i_p、i_s分别为原副边谐振回路的电流。R_i为等效负载(系统等效阻抗)，其中：

根据基尔霍夫电压定律(KVL)及基尔霍夫电流定律(KCL)，可以得到原副边谐振回路的方程如下所示：

式中，ω为谐振角频率，X_p、X_s分别为原副边谐振回路的阻抗。对于图3所示的MC-WPT系统，其传输效率可表示为：

其中，I_p是原边谐振电路电流i_p的有效值，I_s是副边谐振电路电流i_s的有效值。结合式(2)，则式(3)可表示为：

系统工作在谐振状态，即满足X_p＝X_s＝0时，可减小系统中无功功率，此时式(4)可表示为：

将式(5)对R_i求导，并令求导式为0，得到：

可得到实现系统最大效率传输能量时，R_i的取值为：

Sepic变换器(Sepic电路)输出电压由功率开关管S₅的占空比控制，考虑到实际中负载电阻R的可变性，由此，本实施例采用在能量接收端串联一个Sepic变换器的方法，对负载电阻R进行阻抗变换，其最大效率跟踪系统拓扑如图1所示。

图1所示拓扑的等效电路图如图4所示。其中，R_i即是MC-WPT系统负载等效阻抗；R_r是全桥整流器的等效输出阻抗，等于Sepic变换器的等效输入阻抗；U_o是负载R的直流输出电压，U_f为Sepic变换器的输入直流电压。对于CCM模式下的Sepic变换器，其输出电压与输入电压的关系为：

其中，D为功率开关管S₅的PWM控制信号占空比。忽略Sepic变换器的损耗，依据能量守恒定律，则Sepic变换器的输入阻抗R_r和输出阻抗R的关系可以表示为：

结合式(1)，可得到系统等效阻抗R_i与负载R的关系为：

从式(9)可以看出，通过调节Sepic变换器的占空比D，即可改变系统等效阻抗R_i，从而跟踪系统的最大效率点传输能量。CCM工作模式下，Sepic变换器阻抗匹配范围为0≤R≤∞。联立求解式(7)与式(10)，可以得到实现最大效率传输的占空比与负载R的关系为：

即，在步骤S2中，按照式(11)对功率开关管S₅的占空比D进行实时控制，可使图1所示MC-WPT系统保持在最大效率点传输能量。

下面对上述方法的效果进行实验验证。

为验证所提出的将Sepic变换器用于阻抗匹配的最大效率跟踪方法的可行性和有效性，根据图1所示电路拓扑，在Plecs中建立仿真模型，确定SS型MC-WPT系统参数如表1所示，Sepic变换器参数如表2所示。

表1 SS型MC-WPT系统参数

表2 Sepic变换器参数

结合式(7)和式(10)，得到该系统的最佳负载为77Ω。检测不同负载下加入Sepic电路前后系统能量传输效率，根据式(11)得到Sepic电路跟踪最大效率时的占空比数值，得到多组数据如表3所示。

表3不同负载下仿真结果

图5为不同负载条件下加入Sepic电路前后，MC-WPT系统的能量传输效率曲线。从图5中可看到，系统未加入Sepic电路时，负载为最佳负载77Ω时的效率为84.5％，当偏离最佳负载时，系统效率随之降低；加入Sepic电路之后，负载在任何范围内变化时，都能够通过调节Sepic电路的占空比来进行最佳负载匹配，使系统能保持在最大效率点附近传输能量。

综上，本发明实施例围绕基于阻抗匹配方式的最大效率跟踪方法，构建了MC-WPT系统的阻抗模型，推导了系统实现最大效率跟踪的负载条件，采用Sepic电路作为后级DC-DC调压电路进行阻抗匹配，给出基于阻抗匹配方式的最大效率跟踪的控制机制，最后在Plecs中对系统进行仿真，对比加入Sepic前后负载变化情况下，系统的能量传输效率。实验结果证明了所提出的基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统及其最大效率跟踪方法的有效性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，包括能量发射端和能量接收端，所述能量接收端设有顺序连接的接收线圈、副边谐振网络、整流滤波电路和负载，其特征在于：所述能量接收端在所述整流滤波电路和所述负载之间设有Sepic电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，其特征在于：所述Sepic电路设有第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、功率开关管、整流二极管；

所述第一电感、所述第一电容、正向的所述整流二极管、所述负载顺序串联在所述整流滤波电路的第一输出端与第二输出端之间；所述功率开关管的第一开关端连接所述第一电感和所述第一电容的公共连接端，第二开关端连接所述整流滤波电路的第二输出端，控制端连接占空比调节器；所述第二电感一端连接所述第一电感与所述第一电容的公共连接端，另一端连接所述整流滤波电路的第二输出端；所述第二电容一端连接所述整流二极管与所述负载的公共连接端，另一端连接所述整流滤波电路的第二输出端。

3.根据权利要求2所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，其特征在于：所述整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容，所述滤波电容、所述第一电感、所述功率开关管构成回路；

当所述功率开关管闭合时，所述整流二极管截止，所述第一电感上的电流沿着所述滤波电容、所述第一电感、所述功率开关管构成的回路，对所述第一电感进行储能；同时，所述第一电容经过所述功率开关管对所述第二电感进行储能；同时，所述第二电容放电，给所述负载提供输出电流；

当所述功率开关管断开时，所述第二电感上产生反向电动势，使得所述整流二极管由截止变为导通；此时有两条电流途径，一条是所述第一电感提供的电流沿着所述第一电感、所述第一电容、所述整流二极管给所述负载供电，另一条是沿着所述第二电感、所述整流二极管给所述负载供电。

4.根据权利要求3所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，其特征在于：所述副边谐振网络采用与所述接收线圈串联的副边谐振电容。

5.根据权利要求4所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统，其特征在于：所述能量发射端设有发射线圈以及与所述发射线圈串联的原边谐振电容。

6.一种根据权利要求5所述基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的最大效率跟踪方法，其特征在于，包括步骤：

S1：控制所述Sepic电路工作在CCM模式下；

S2：以最大化MC-WPT系统的能量传输效率为目标对所述功率开关管的占空比进行实时控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的最大效率跟踪方法，其特征在于，在所述步骤S2中，按照如下关系对所述功率开关管的占空比D进行实时控制：

其中，R为所述负载的电阻，也是所述Sepic电路的输出阻抗；

表示MC-WPT系统以最大效率传输能量时的负载等效阻抗R_i的取值，所述系统等效阻抗R_i由所述整流滤波电路和所述负载等效而来，

ω为谐振角频率；R_p、R_s分别为所述原边谐振电容、所述副边谐振电容的内阻；M为所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感。

8.根据权利要求7所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的最大效率跟踪方法，其特征在于：忽略所述Sepic电路的损耗，依据能量守恒定律，则所述Sepic电路的输入阻抗R_r和输出阻抗R的关系表示为：

结合

可得到负载等效阻抗R_i与负载R的关系为：

9.根据权利要求8所述的一种基于Sepic电路阻抗匹配的MC-WPT系统的最大效率跟踪方法，其特征在于，计算R_{i_maxη}按照步骤：

1)基于基尔霍夫电压定律及基尔霍夫电流定律计算MC-WPT系统的能量传输效率η：

2)通过求导并使

求得η最大时，R_i的取值为：

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