CN113555969B - 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法 - Google Patents

基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113555969B
CN113555969B CN202110844698.5A CN202110844698A CN113555969B CN 113555969 B CN113555969 B CN 113555969B CN 202110844698 A CN202110844698 A CN 202110844698A CN 113555969 B CN113555969 B CN 113555969B
Authority
CN
China
Prior art keywords
load
transmission efficiency
lcc
ipt system
mutual inductance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110844698.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113555969A (zh
Inventor
胡国珍
陈波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hubei Polytechnic University
Original Assignee
Hubei Polytechnic University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hubei Polytechnic University filed Critical Hubei Polytechnic University
Priority to CN202110844698.5A priority Critical patent/CN113555969B/zh
Publication of CN113555969A publication Critical patent/CN113555969A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113555969B publication Critical patent/CN113555969B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

本发明实施例提供一种基于LCC‑S型补偿的多负载感应式电能传输分析方法，包括：对基于LCC‑S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模；基于所述建模，获得所述多负载IPT系统的各传输特性参数的定量表达式；基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值。本发明实施例通过互感建模以及传输效率和多负载极值的分析，实现了基于LCC‑S型补偿多负载感应式电能传输的分析研究，为后续相关技术的研究提供一定的基础，能够指导相关电能传输参数的设计，具有较好的理论意义及较高的实用价值。

Description

基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法
技术领域
本发明涉及电能传输领域，更具体地，涉及一种基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法。
背景技术
多负载IPT系统按照电源拾取侧个数可分为：多个电源拾取和单个电源拾取两种。针对电能供给侧部分只有一组发射线圈，而次级电能拾取侧部分有多组的IPT系统。该系统相比于单电能拾取侧来说，能为多个用电设备同时实现非接触供电，随着科技的发展在工业上有着越来越广泛的应用。
目前，在已有的对多负载IPT系统的研究设计中，现有技术主要对系统在传统四种补偿方式下的相关传输特性进行了分析与研究。还有从磁路结构和控制方式等方面对多负载IPT系统进行了分析。但目前主要的分析结论都是基于SS型补偿的IPT系统得出的。在IPT系统中，负载出现扰动或者副边取电电路个数的增减都可能会影响系统的稳定性，给系统的传输特性也带来影响。因此针对系统电能接收端的个数对系统传输功率及效率影响的研究有重要的实际意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法。
根据本发明实施例，提供一种基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，该方法包括：对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模；其中，LCC-S型补偿网络可以实现在系统完全谐振的条件下原边线圈电流与负载无关的特性，同时LCC-S型补偿还具有输入阻抗角为零、输出电压增益与负载无关的特性；基于所述建模，获得所述多负载IPT系统的各传输特性参数的定量表达式；基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值。
本发明实施例提供的基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，通过互感建模以及传输效率和多负载极值的分析，实现了基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输的分析研究，为后续相关技术的研究提供一定的基础，能够指导相关电能传输参数的设计，具有较好的理论意义及较高的实用价值。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多负载IPT系统电路图；
图2为本发明实施例提供的多负载IPT系统等效电路图；
图3为本发明实施例提供的输入阻抗角与失谐因数λ的关系图；
图4为本发明实施例提供的传输效率与负载个数n的关系；
图5为本发明实施例提供的效率与互感M关系图；
图6为本发明实施例提供的效率与负载阻值RL关系图；
图7为本发明实施例提供的单负载情况下，η与M和RL的三维关系图和等高线图；
图8为本发明实施例提供的二负载情况下，η与M和RL的三维关系图和等高线图；
图9为本发明实施例提供的三负载情况下，η与M和RL的三维关系图和等高线图；
图10为本发明实施例提供的四负载情况下，η与M和RL的三维关系图和等高线图；
图11为本发明实施例提供的基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。
针对现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，首先对该方法的基本原理进行说明：首先，本发明实施例通过对多负载IPT系统的建模，得到系统输入阻抗的表达式，对电能接收端个数N与系统输入阻抗的关系进行了分析，得到了输入阻抗Zin的幅值和阻抗角与接收端个数的关系图。然后，在原副边补偿网络完全谐振的条件下，研究了多负载IPT系统的电压、电流增益等传输特性，其中重点对系统输出功率和传输效率进行了研究，通过推导传输效率的表达式，研究其与负载个数(取电器)的最值问题。同时，对传输效率的几个关键影响因素：接收端个数N、松耦合变压器互感M、负载大小RL进行了分析，得到了系统传输效率达到最大值时的关键参数的选择范围，在不同的接收端个数下，对比分析了传输效率与M，RL三维关系图和等高线图，得出了在负载个数为2的时候，实现系统最大传输效率时参数的选择范围最大的结论。最后，通过Simulink仿真软件验证IPT系统在两个负载条件下的分析结论。本发明实施例提供的上述内容，为后续相关技术的研究提供一定的基础，具有较好的理论意义及较高的实用价值。
本发明实施例提供的基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，参见附图11，包括但不限于如下步骤：
步骤101、对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模，其中，LCC-S型补偿网络可以实现在系统完全谐振的条件下原边线圈电流与负载无关的特性，同时LCC-S型补偿还具有输入阻抗角为零、输出电压增益与负载无关的特性。
具体地，如图1所示，为基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统图，直流电源DC经过Q1-Q4组成的全桥逆变器后变为高频交流电Uin，高频交流电Uin再通过补偿网络后将高频交流电流通向原边线圈Lp，线圈中在高频交流电流Ip的作用下产生磁场，随后与多个副边接收线圈产生磁场耦合，在副边线圈电路上生成感应电动势，供后级负载使用，实现多个用电设备的无线电能传输。为了简化分析，副边后级中的整流滤波和功率变换电路已忽略，均以负载RL代替。多负载IPT系统与单负载IPT系统相比，区别在于原边线圈侧会产生多个反射阻抗Z12i,这个反射阻抗的大小和个数可能影响着整个系统的输入阻抗及传输特性，因此，分析多负载IPT系统的电路特性必不可少。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模，包括：
根据互感模型，对基于LCC-S型多负载IPT系统建立等效电路；
所述等效电路中，参见附图2，前端逆变器的等效输出基波电压Uin，所述等效输出基波电压Uin的一端依次通过寄生电阻rp1、补偿线圈Lp1与电容Cp1的一端连接，所述等效输出基波电压Uin的另一端与电容Cp1的另一端连接；电容Cp1的一端依次通过反射阻抗Z121-Z12n与电能供给侧发射线圈Lp的一端连接，电容Cp1的另一端依次通过电容Cp、原边发射线圈的寄生电阻rp与电能供给侧发射线圈Lp的另一端连接；接收端的感应电动势Uocn的一端通过副边接收线圈Lsn与电容Csn的一端连接，所述接收端的感应电动势Uocn的另一端依次通过副边接收线圈的寄生电阻rsn、接收电路后级的等效电路负载RLn与电容Csn的另一端连接，n为自然数。
具体地，根据互感模型，对LCC-S型多负载IPT系统建模如图2所示等效电路图，其中Uin是前端逆变器的等效输出基波电压,Lp1、Cp1、Cp组成LCC补偿网络，Lp是电能供给侧发射线圈，rp1和rp分别是补偿线圈Lp1和原边发射线圈的寄生电阻，Z121-Z12n是各电能接收端副边阻抗折算到原边的反射阻抗，Uoc1-Uocn为各接收端上的感应电动势，副边接收线圈Ls1-Lsn分别于Cs1-Csn组成串联谐振补偿网络。rs1-rsn是副边接收线圈的寄生电阻，RL1-RLn是各接收电路后级的等效电路负载。
依据国内外学者研究得到的结论，线圈的寄生电阻对系统输入阻抗的影响几乎没有，因此在推导阻抗特性时忽略补偿电感Lp1、发射线圈Lp和各接收线圈Ls1-Lsn的寄生电阻，以达到简化分析的作用。
结合图2所示的等效电路图，由电路基本定理(KVL)，可列出系统回路方程如式(3-1)所示：
Figure BDA0003180052230000051
其中Uoci为各副边接收端的感应电动势，由式(3-2)给出：
Uoci＝jωMiIp (3-2)
同时根据各电能接收端的等效电路部分可得到各副边等效阻抗为：
Figure BDA0003180052230000052
因此，可得到各接收端阻抗折算到原边电路后的反射阻抗，由下式(3-4)所示：
Figure BDA0003180052230000053
当原边和各电能接收端补偿网络的谐振频率ω0等于逆变器输出电压的角频率ω，且满足式(3-5)时，系统实现完全谐振补偿。
Figure BDA0003180052230000054
结合式(3-1)—式(3-5)，可得到系统的各干支路电流，如下式(3-6)所示：
Figure BDA0003180052230000061
系统输入阻抗Zin、反射阻抗Z12i和各电能接收端的阻抗Z2i由下式(3-7)得出：
Figure BDA0003180052230000062
在获得了上述公式(3-7)之后，可进行输入阻抗与ZVS软开关的计算。
具体地，将式(3-5)代入式(3-6)和式(3-7)中，可将得到化简后的输入阻抗Zin和输入阻抗角θ的表达式，如式(3-8)所示：
Figure BDA0003180052230000063
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模之后，还包括：获取完全谐振的条件下的输入阻抗Zin的第一表达式；引入失谐因素λ，基于所述失谐因素λ获取输入阻抗角θ的第一表达式；基于所述输入阻抗Zin的第一表达式和所述输入阻抗角θ的第一表达式，获得副边参数一致的多负载IPT系统的输入阻抗的表达式组，所述输入阻抗的表达式组包括输入阻抗Zin的第二表达式以及输入阻抗角θ的第二表达式。
在完全谐振的条件下，即满足式(3-5)时，输入阻抗角为0，系统输入阻抗显纯阻性，此时系统无功功率为0，有益于提高系统的传输功率和效率。
此时输入阻抗Zin经过化简后，如式(3-9)所示：
Figure BDA0003180052230000071
即获取完全谐振的条件下的输入阻抗Zin的第一表达式。
经过式(3-8)和式(3-9)所示，工作在谐振频率的LCC-S型全补偿拓扑的输入阻抗为纯阻性，且只与松耦合变压器互感Mi和各接收端等效负载RL有关，这个特性能保证系统在谐振频率点处的功率因素为1，实现无功的完全补偿。但在实际中，由于元器件无法做到完美的既定参数，存在固有的参数误差，这会不可避免地造成相对理想值的参数偏差，因此引入一个失谐因素λ，记以如下式(3-10)所示：
Figure BDA0003180052230000072
综合式(3-10)与式(3-8)中θ的表达式，可将θ化简为：
Figure BDA0003180052230000073
即引入失谐因素λ，基于所述失谐因素λ获取输入阻抗角θ的第一表达式。
根据式(3-11)，为了实现系统逆变器的ZVS软开关，可取λ小于1，即使θ略大于0，这样能保证系统逆变器后级电路显略浅的感性区。
为了便于分析电能接收端个数对系统特性的影响，现将副边接收端电路参数设为一致，即令：
Figure BDA0003180052230000074
结合式(3-9)和式(3-11)，将式(3-12)代入其中，得到电能接收端参数相同时，即副边参数一致的多负载IPT系统的输入阻抗的表达式，如下所示：
Figure BDA0003180052230000081
其中，n代表取电器数量，n＝1,2,3....。
即获得了副边参数一致的多负载IPT系统的输入阻抗的表达式组。
由式(3-13)可知，LCC-S型补偿的多负载IPT系统输入阻抗角θ关于松耦合变压器的互感值M的平方成反比，且关于负载阻值RL成正比。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述获得副边参数一致的多负载IPT系统的输入阻抗的表达式之后，还包括：根据所述输入阻抗的表达式组获取补偿网络的设计参数。
即输入阻抗角θ在Мmax和满载Rmin下达到最小值，这能为补偿网络的参数设计提供参考。
如图3所示为不同接收端个数下，输入阻抗角与失谐因数λ的关系。由图3可以看出，无论负载个数n取任意值，当λ＝1时，即在理想参数下，工作于完全谐振频率条件下的全补偿LCC-S型拓扑均为纯阻性，且与互感值和负载同时解耦，这个特性保证了系统在全耦合和负载范围内均能实现无功的完全补偿。当λ<1时，即在非理想参数情况下，在保证弱感性的前提下，负载个数n越多，输入阻抗角越接近于0，这表明LCC-S型补偿的多负载IPT系统比单负载系统更容易实现全工作范围的ZVS条件，且能够减小负载阻值RL的影响。
步骤102、基于所述建模，获得所述多负载IPT系统的各传输特性参数的定量表达式。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基于所述建模，获得所述多负载IPT系统的各传输特性参数的定量表达式，包括：在满足所述多负载IPT系统的输入阻抗的表达式组的条件下，获得所述多负载IPT系统的各支路的电流的表达式、输入功率和各电能接收端输出功率的表达式、输入功率与各电能接收端传输效率ηi的表达式、各电能接收端输出功率之比Poi:Poj的表达式、电压和电流增益的表达式。
具体地，针对传输特性的分析，由上述步骤可知，工作于完全谐振频率下的全补偿型LCC-S型拓扑，输入阻抗为纯阻性，得到完全的补偿补偿，此时能够保证有功功率最大。在此前提条件下，即满足式(3-13)时，代入上述各式中，可以得到系统各支路电流如下所示：
Figure BDA0003180052230000091
由式(3-14)可知，原边发射线圈Ip与电能接收端个数n和负载阻值无关，在系统参数确定时，可保持恒流特性，这能确保各个电能接收端的感应电动势保持恒定，即：
Figure BDA0003180052230000092
综合上述各式可以得到，系统输入功率和各电能接收端输出功率如下所示，
Figure BDA0003180052230000093
系统输入功率与和各电能接收端传输效率ηi为：
Figure BDA0003180052230000094
各电能接收端输出功率之比Poi:Poj为：
Figure BDA0003180052230000095
电压、电流增益为：
Figure BDA0003180052230000101
现令电能接收端电路参数一致，便于后续分析，及满足式(3-12)，代入上述式(3-14)—式(3-19)中，可得到在相同电能接收端的多负载IPT系统的各传输特性如下表所示：
表1 LCC-S型补偿输入输出特性
Figure BDA0003180052230000102
由表1可知，基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统，输入电流Iin和输入功率Pin与负载个数n成正比，电流增益Gi和传输效率η与负载个数n成反比，由于LCC-S型补偿网络可实现原边发射线圈的恒流特性，这确保了各个接收端的感应电动势稳定，在系统完全谐振的条件下，而输出电压Uoi和输出电流Ioi等其他传输特性与负载个数n无关，只与自身电路参数有关。
步骤103、基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该步骤103可进一步包括如下内容：结合线圈内阻，计算所述多负载IPT系统的接收端的输出功率Poi、供给侧功率Pin；根据所述输出功率Poi和所述供给侧功率Pin计算所述传输效率；基于所述传输效率，通过偏导数计算获得所述多负载极值。
具体地，根据研究表明，补偿线圈、原边线圈和各副边接收线圈的寄生内阻可能会影响系统的传输效率，因此在研究多负载IPT系统的传输效率问题时，必须考虑将寄生内阻考虑在内。同时为了便于分析，在接收端电路参数一致的情况下得到以下的表达式。
因此，考虑线圈内阻后，副边各等效阻抗反射到原边的反射阻抗Z12i均可由式(3-20)给出：
Figure BDA0003180052230000111
结合上述推导过程可得到接收端的输出功率Poi如式(3-21)所示：
Figure BDA0003180052230000112
系统电能供给侧功率为Pin为：
Figure BDA0003180052230000113
令传输效率的倒数H＝1/η＝Pin/Po，结合式(3-21)和式(3-22)，代入可得传输效率的倒数为：
Figure BDA0003180052230000114
对其求偏导可得：
Figure BDA0003180052230000115
由式(3-24)可知，效率的倒数H对负载个数n的偏导恒大于零，因此，效率η关于负载个数n单调递减，这表明多负载IPT系统随着负载个数的增加，效率呈下降的趋势，如图4所示。
同理可以得到，令
Figure BDA0003180052230000121
得到：
Figure BDA0003180052230000122
进一步求导数可得，满足式(3-25)的M是函数H的极小值点，即是效率极大值点，此时效率最大。由于
Figure BDA0003180052230000123
太复杂，故借助计算机软件计算可以得到，函数H关于负载阻值RL有极小值，这表明当负载RL选取一定的阻值时，系统传输效率最大，并且这个负载阻值RL的选取是关于负载个数n的函数。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值之后，还包括如下步骤：
通过选取参数数据，基于所述传输效率和多负载极值获取不同负载个数n下的传输效率与松耦合变压器互感值M之间的第一关系图，以及传输效率与负载阻值RL之间的第二关系图；
所述第一关系图和所述第二关系图中，随着所述负载个数n的增加，最大传输效率先快速减小，随后减小速率变慢，最后趋于稳定；当传输效率取最大值时的各极值点，所述松耦合变压器互感M和所述负载阻值RL随着所述负载个数n的增加而变化。
具体地，选取一组参数数据：f＝20KHz,Lp＝10uH,Lp1＝5uH,负载阻值RL在0～10Ω变化，互感值M在0～10uH变化时，得到如图5和图6所示在不同负载个数n下的效率与M、RL关系图。
由图5和图6可以看出，传输效率随着互感值M和负载阻值RL的变化趋势与上述分析结果一致，结合传输效率与负载个数的关系，随着负载个数n增加时，最大传输效率先快速减小，随后减小速率变慢，最后趋于一个稳定值。当传输效率取最大值时的各极值点：互感值M和负载阻值RL会随着负载个数n的增加而变化。
因此，可以明确的是：多负载IPT系统的最大传输效率时的参数选择与负载个数n有关，现需要确定互感值M和负载阻值RL的参数选择。
如图7所示为单负载情况下传输效率η与互感值M和负载阻值RL的三维关系图和等高线图，结合图7(a)和图7(b)来看，可以看出黄色部分的参数范围效率最大，同时黄色部分的范围也是最小，随着参数选择的不同，系统的传输效率会有显著的差别，这对系统参数的设计具有一定的参考价值。
同理可以得到在两个负载、三负载和四负载个数下，传输效率η与互感值M和负载阻值RL的三维关系图和等高线图，如图8-图10所示。
综合图8-图10来看，随着负载个数的增加，传输效率随互感值M和负载幅值RL的变化趋势是一致的，呈现不规则的马鞍状。如各等高线图所示，在黄色区域内，系统传输效率达到最大值，且随着负载个数的不同，黄色区域的参数选择范围有所不同，当负载个数为2时，互感值M的取值范围最大，而当三负载的情况下，虽然互感值M的取值范围有所减小，但负载阻值RL范围变大。由此可知，在进行实际参数设计时，应该综合具体应用领域来确定参数范围，例如各等高线图中黄色区域的重合部分，这可使多负载IPT系统在负载个数为1-4时均可实现最大的传输效率。
综上所述，本发明实施例提供的基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，经过互感模型建模后，首先对其系统的输入阻抗与接收端负载个数n个关系进行了推导，并就ZVS条件得出负载个数越多，越容易在轻微失谐的条件下实现ZVS条件的结论。随后对多负载IPT系统各传输特性作出定量的表达式，其中在电能接收端参数一致的前提下，重点研究了传输效率与电能接收端负载个数、互感值M和负载阻值RL的变化关系，通过偏导数和计算机软件，得出在单个特定互感值和负载阻值下，传输效率有最大值的结论，随后研究了在不同负载个数下，传输效率与互感值M和负载阻值RL之间的三维曲线图，明确了在互感值M和负载阻值RL在一定参数范围内，传输效率达到最大值。并且这个参数范围的大小与电能接收端个数n有关。最后借助软件MATLAB/Simulink工具搭建LCC-S型补偿的多负载IPT系统，经过仿真，结果与上述分析结论一致，这为多负载IPT系统的参数设计提供了思路和参考点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于LCC-S型补偿多负载感应式电能传输分析方法，其特征在于，包括：
对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模；其中，LCC-S型补偿网络可以实现在系统完全谐振的条件下原边线圈电流与负载无关的特性，同时LCC-S型补偿还具有输入阻抗角为零、输出电压增益与负载无关的特性；
基于所述建模，获得所述多负载IPT系统的各传输特性参数的定量表达式；
基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值；
其中，所述对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模，包括：
根据互感模型，对基于LCC-S型多负载IPT系统建立等效电路；
所述等效电路中，等效输出基波电压Uin的一端依次通过寄生电阻rp1、补偿线圈Lp1与电容Cp1的一端连接，所述等效输出基波电压Uin的另一端与电容Cp1的另一端连接；电容Cp1的一端依次通过反射阻抗Z121-Z12n与电能供给侧发射线圈Lp的一端连接，电容Cp1的另一端依次通过电容Cp、原边发射线圈的寄生电阻rp与电能供给侧发射线圈Lp的另一端连接；接收端的感应电动势Uocn的一端通过副边接收线圈Lsn与电容Csn的一端连接，所述接收端的感应电动势Uocn的另一端依次通过副边接收线圈的寄生电阻rsn、接收电路后级的等效电路负载RLn与电容Csn的另一端连接，n为自然数；
其中，基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值之后，还包括：
通过选取参数数据，基于所述传输效率和多负载极值获取不同负载个数n下的传输效率与松耦合变压器互感值M之间的第一关系图，以及传输效率与负载阻值RL之间的第二关系图；
所述第一关系图和所述第二关系图中，随着所述负载个数n的增加，最大传输效率先快速减小，随后减小速率变慢，最后趋于稳定；当传输效率取最大值时的各极值点，所述松耦合变压器互感M和所述负载阻值RL随着所述负载个数n的增加而变化；
其中，令
Figure FDA0003692013880000021
得到：
Figure FDA0003692013880000022
式中，H为传输效率的倒数；进一步求导数可得，满足上式的M是函数H的极小值点，即是效率极大值点，此时效率最大；同时，借助数值计算软件可以得到，函数H关于负载阻值RL有极小值，这表明当负载RL选取一定的阻值时，系统传输效率最大，并且这个负载阻值RL的选取是关于负载个数n的函数；rp1是补偿线圈Lp1的寄生电阻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模之后，还包括：
基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统的进行研究，通过对多负载IPT系统的建模，得到系统输入阻抗的表达式；
系统输入阻抗Zin、反射阻抗Z12i和各电能接收端的阻抗Z2i由下式得出：
Figure FDA0003692013880000023
式中，rsi为副边接收线圈的寄生电阻，RLi为接收电路后级的等效电路负载，ω为逆变器输出电压的角频率，Mi为松耦合变压器互感，Uin为前端逆变器的等效输出基波电压，Iin为输入电流，其中，i为0～n的正整数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对基于LCC-S型补偿的多负载IPT系统进行互感模型的建模之后，还包括：
对系统的输入阻抗与接收端负载个数n之间的关系进行推导，分析不同接收端个数下，输入阻抗角与失谐因数λ的关系；LCC-S型补偿的多负载IPT系统比单负载系统更容易实现全工作范围的ZVS条件，且能够减小负载阻值RL的影响；
得到电能接收端参数相同时，即副边参数一致的多负载IPT系统的输入阻抗的表达式，如下所示：
Figure FDA0003692013880000031
其中，n代表取电器数量，n＝1,2,3....。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：获取不同接收端个数下，输入阻抗角与失谐因数λ的关系，无论负载个数n取任意值，当λ＝1时，即在理想参数下，工作于完全谐振频率条件下的全补偿LCC-S型拓扑均为纯阻性，且与互感值和负载同时解耦；当λ<1时，即在非理想参数情况下，在保证弱感性的前提下，负载个数n越多，输入阻抗角越接近于0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值，包括：
结合线圈内阻，计算所述多负载IPT系统的接收端的输出功率Poi、供给侧功率Pin；
根据所述输出功率Poi和所述供给侧功率Pin计算所述传输效率；
基于所述传输效率，通过偏导数计算获得所述多负载极值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述定量表达式，获得所述多负载IPT系统的传输效率和多负载极值之后，还包括：
获取不同数量的负载情况下，传输效率η与松耦合变压器互感值M及负载阻值RL的三维关系图和等高线图；
对所述三维关系图和等高线图进行分析，获得分析结果；所述分析结果包括随着负载个数的增加，传输效率随着所述互感值M和负载幅值RL的变化趋势是一致的，呈现不规则的马鞍状。
CN202110844698.5A 2021-07-26 2021-07-26 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法 Active CN113555969B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110844698.5A CN113555969B (zh) 2021-07-26 2021-07-26 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110844698.5A CN113555969B (zh) 2021-07-26 2021-07-26 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113555969A CN113555969A (zh) 2021-10-26
CN113555969B true CN113555969B (zh) 2022-08-02

Family

ID=78132766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110844698.5A Active CN113555969B (zh) 2021-07-26 2021-07-26 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113555969B (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101773403B1 (ko) * 2015-11-20 2017-08-31 숭실대학교산학협력단 무선 충전기용 양면 lcc 컨버터 및 그 구현방법
CN110001423A (zh) * 2019-03-22 2019-07-12 湖北理工学院 一种基于lcl谐振拓扑的ipt系统平面线圈优化设计方法
CN111181255B (zh) * 2020-01-14 2022-06-21 湖北理工学院 一种u型结构的ipt取电器及其设计方法、系统
CN111817449B (zh) * 2020-06-28 2021-11-16 河海大学 一种电机转子无线供电系统
CN112234722B (zh) * 2020-12-14 2021-04-06 中国人民解放军海军工程大学 一种s-lcc型感应式电能传输系统及其动态调谐方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113555969A (zh) 2021-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11101700B1 (en) Impedance matching network optimization method for wireless power transfer system under maximum efficiency tracking
CN106740220A (zh) 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
CN106992683B (zh) 一种电压源与电流源复合激励非接触变换电路
CN111898289B (zh) 一种远距离无线充电lcc-s拓扑参数设计方法
CN206406776U (zh) 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
CN111532151B (zh) 一种电动汽车无线充电的系统及方法
CN109149942B (zh) 一种用于高频谐振型直流变压器的多频率段控制方法
CN111193328B (zh) 基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络及参数确定方法
CN108322050B (zh) 一种适用于谐振网络的拓扑优化与元件参数优化方法
Gong et al. Research on parameter identification and phase-shifted control of magnetically coupled wireless power transfer system based on Inductor–Capacitor–Capacitor compensation topology
Cai et al. Design of constant-voltage and constant-current output modes of double-sided LCC inductive power transfer system for variable coupling conditions
CN113555969B (zh) 基于lcc-s型补偿多负载感应式电能传输分析方法
Li et al. Modeling and design of a transmission coil and four cascaded receiving coils wireless charging structure with lateral misalignments
CN109067184B (zh) 一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统
Wang et al. Inductive Power Transfer System with Constant Current-Constant Voltage Charging Tolerating Misalignment Based on Multi-Objective Optimization for Compensation Topology
Diep et al. Wireless charging system for electric bicycle application
Guo et al. Resonant wireless charging scheme
Zhu et al. A Novel Parameter Design and Optimization Method for Wireless Power Transfer System
CN108711950B (zh) 提高远距离无线输电电压增益的电路拓扑及其设计方法
Hong et al. Constant current/voltage characteristics inductive power transfer system with variable static ST/FC compensation
Zhang et al. A Structure Parameter Design Method of DD Coils to Optimize Coupling Performance and Misalignment-tolerant Ability
CN219801986U (zh) 基于重构整流器的抗偏移失谐lcl-s型补偿无线电能传输系统
CN117977831B (zh) 一种无线电能传输系统的恒功率控制方法
Yang et al. Constant-current output LCC wireless power transfer circuit
Chen et al. Modeling and Efficiency Analysis of LCC-S Inductive Power Transmission (IPT) system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant