CN113659735B - 一种双ss混合补偿拓扑及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双SS混合补偿拓扑及其参数设计方法，包括输入电路、负载电路、补偿电路和感应补偿电路，所述的输入电路与负载电路相耦合，所述的补偿电路的与感应补偿电路相耦合，所述的输入电路的与补偿电路电性连接，所述的负载电路的与感应补偿电路电性连接。本发明克服了现有技术中存在的传统的无线电能传输系统中的补偿拓致成本较高的问题。本发明具有电能传输稳定和制作成本低等优点。

Description

一种双SS混合补偿拓扑及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输结构领域，更具体地说，涉及一种双SS混合补偿拓扑及其参数设计方法。

背景技术

感应式无线电能传输的研究大致分为三类：逆变电路、补偿机构以及松耦合变压器三大部分。在谐振式无线电能传输技术的补偿拓扑研究之中，从20世纪90年代开始陆续出现了许多类似于谐振变换器的补偿拓扑机构。基于LC串联(series)谐振和并联(parallel)谐振的概念，又因原副边分开补偿，因此出现了四种经典的低阶补偿拓扑：S/S、S/P、P/S和P/P。这四种经典的补偿拓扑特点是原理简单易懂、结构简单，但是存在很多缺点。譬如谐振元件的电路灵敏度过高、输入输出增益难以调节(需要与后级DC-DC变换器配合使用)、一些拓扑(如补偿漏感的电压型S/S拓扑)感性区过深导致电路效率较低。

以往提出的S/S与LCC/LCC组成的混合补偿拓扑和LCC/S与S/LCC组成的混合补偿拓扑随抗偏移能力比较强，但是所用的补偿原件较多，导致成本较高。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的传统的无线电能传输系统中的补偿拓致成本较高的问题，现提供具有成本较低的一种双SS混合补偿拓扑及其参数设计方法。

本发明的一种双SS混合补偿拓扑，包括输入电路、负载电路、补偿电路和感应补偿电路，所述的输入电路与负载电路相耦合，所述的补偿电路的与感应补偿电路相耦合，所述的输入电路的与补偿电路电性连接，所述的负载电路的与感应补偿电路电性连接。

本发明采用双系统抗偏移结构，补偿电路采用DD线圈，感应补偿电路采用方形线圈，此耦合机构的特点是，DD线圈和方形线圈之间解耦，当沿X轴方向偏移时，补偿电路的DD和方形线圈耦合几乎为零，只有方形线圈之间和DD线圈之间有较强耦合。磁耦合机构在X方向发生较大距离偏移以及负载在宽范围内变化时，本发明能够基本保持输出电流恒定，仅需要四个补偿电容就可以具有较强的抗偏移能力，在电力电子变换器领域可以得到更加广泛的应用。

作为优选，所述的输入电路包括输入电压U0、电容Cp1和电感Lp1，所述的电压U0的正极与电容Cp1的一端电性连接，所述的电容Cp1负极与电感Lp1的一端电性连接，所述的电容Cp1的另一端与电感Lp1的另一端电性连接。

作为优选，所述的负载电路包括负载RE、电容Cs1和电感Ls1，所述的电感Ls1与电感Lp1磁性耦合，所述的电感Ls1的一端与电容Cs1的一端电性连接，所述的电感Ls1的另一端与负载RE的负极电性连接，所述的电容Cs1的另一端与负载RE的正极电性连接。

作为优选，所述的补偿电路包括电容Cp2和电感Lp2，所述的电容Cp2的一端与电容Cp1的一端电性连接，所述的电容Cp2的另一端与电感Lp2一端电性连接，所述的电感Lp2另一端与电感Lp1的一端电性连接。

作为优选，所述的感应补偿电路包括电容Cs2和电感Ls2，所述的电感Ls2与电感Lp2磁性耦合，所述的电感Lp2的一端与电容Cs2的一端电性连接，所述的电感Lp2的另一端与电感Ls1的另一端电性连接，所述的电容Cs2的另一端与电容Cs1的另一端电性连接。

工作时，电感Ls1和电感Ls2之间通常因为发生水平偏移引起耦合系数发生变化。在所接直流负载为蓄电池时，负载阻抗大小通常也会随着充电时间长短而发生变化，说明双系统抗偏移及其补偿拓扑对于抗耦合机构偏移以及抗负载电阻变化具有良好效果。

一种双SS混合补偿拓扑的参数设计方法，按以下步骤进行：

结合该拓扑的受控源模型进行具体分析，本采用双系统抗偏移结构的受控源模型，可将其视作两个并联的二端口，分别列写出各自的传输方程如公式：

下面推导该式中各参量的表达式；

I11、I12分别为流过两组原边线圈的电流；I21、I22分别为流过两组副边线圈的电流；Z11、Z12分别为两组原边线圈中线圈自感与所对应的原边串联补偿电容形成的等效交流阻抗；Z21、Z22分别为两组副边线圈中线圈自感与所对应的副边串联补偿电容形成的等效交流阻抗；M1为第一组耦合机构的互感值；M2为第二组耦合机构的互感值；I1、I2分别为流过原边交流激励源与副边等效电阻负载的电流；up11、up12分别为两组原边中的等效受控电压源；us11、us12分别为两组副边中的等效受控电压源；U1、U2分别为该拓扑结构的输入输出电压电压源；

以上面的一组线圈为例，其所满足的方程如公式：

整理可得公式：

将此二端口进行级联，另外一组线圈也做类似处理，整理可得公式：

由输入、输出端口电流关系可得：

联立公式：

得到公式/>其中每一个系数的具体表达式如公式

当所采用的磁耦合结构原、副边结构对称时，有Lp1＝Ls1且Lp2＝Ls2成立；同时合理地设计磁耦合机构的参数，可以使得M1＝M2,从而a11＝a22＝0，即说明了在输入电压以及耦合机构不变的情况下可以保持输出电流恒定，并且在一定范围之内不受负载变化的影响。

本发明具有以下有益效果：电能传输稳定，制作成本低。

附图说明

附图1为本发明的电路原理示意图；

附图2为本发明的双系统抗偏移的受控源模型。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：根据附图1进行进一步说明，本例的一种双SS混合补偿拓扑，包括输入电路、负载电路、补偿电路和感应补偿电路，所述的输入电路与负载电路相耦合，所述的补偿电路的与感应补偿电路相耦合，所述的输入电路的与补偿电路电性连接，所述的负载电路的与感应补偿电路电性连接。

所述的输入电路包括输入电压U0、电容Cp1和电感Lp1，所述的电压U0的正极与电容Cp1的一端电性连接，所述的电容Cp1负极与电感Lp1的一端电性连接，所述的电容Cp1的另一端与电感Lp1的另一端电性连接。

所述的负载电路包括负载RE、电容Cs1和电感Ls1，所述的电感Ls1与电感Lp1磁性耦合，所述的电感Ls1的一端与电容Cs1的一端电性连接，所述的电感Ls1的另一端与负载RE的负极电性连接，所述的电容Cs1的另一端与负载RE的正极电性连接。

所述的补偿电路包括电容Cp2和电感Lp2，所述的电容Cp2的一端与电容Cp1的一端电性连接，所述的电容Cp2的另一端与电感Lp2一端电性连接，所述的电感Lp2另一端与电感Lp1的一端电性连接。

所述的感应补偿电路包括电容Cs2和电感Ls2，所述的电感Ls2与电感Lp2磁性耦合，所述的电感Lp2的一端与电容Cs2的一端电性连接，所述的电感Lp2的另一端与电感Ls1的另一端电性连接，所述的电容Cs2的另一端与电容Cs1的另一端电性连接。

本发明以S/S型补偿方式的双系统抗偏移补偿拓扑为例说明其恒流输出特性，仅需要四个补偿电容就可以实现强抗偏移的恒流输出，补偿参数满足公式其中Lp1与Ls1为一组耦合机构的原副边自感，k1与M1为原副边的耦合系数与互感值，Cp1、Cs1分别为原副边的串联补偿电容。Lp2与Ls2为另外一组耦合机构的原副边自感，k1与M2为原副边的耦合系数与互感值，Cp2、Cs2分别为其原副边的串联补偿电容。Lp1与Lp2的耦合为零，Lp1与Ls2的耦合为零，Ls1与Lp2的耦合为零，Ls1与Ls2的耦合为零。两组耦合机构与其补偿机构为并联的关系。交流输入电压源为Vin，输入电流为Iin，输出直流电压为Vo，输出直流电流为-Io，输出侧所接的等效电阻负载为RE。

本发明结合该拓扑的受控源模型进行具体分析，本采用双系统抗偏移结构的受控源模型，可将其视作两个并联的二端口，分别列写出各自的传输方程如公式

下面推导该式中各参量的表达式。

根据附图2的描述：I11、I12分别为流过两组原边线圈的电流；I21、I22分别为流过两组副边线圈的电流；Z11、Z12分别为两组原边线圈中线圈自感与所对应的原边串联补偿电容形成的等效交流阻抗；Z21、Z22分别为两组副边线圈中线圈自感与所对应的副边串联补偿电容形成的等效交流阻抗；M1为第一组耦合机构的互感值；M2为第二组耦合机构的互感值；I1、I2分别为流过原边交流激励源与副边等效电阻负载的电流；up11、up12分别为两组原边中的等效受控电压源；us11、us12分别为两组副边中的等效受控电压源；U1、U2分别为该拓扑结构的输入输出电压电压源。

以上面的一组线圈为例，其所满足的方程如公式整理可得公式将此二端口进行级联，另外一组线圈也做类似处理，整理可得公式

由附图2中输入、输出端口电流关系可得：

联立公式

得到公式/>其中每一个系数的具体表达式如公式

当所采用的磁耦合结构原、副边结构对称时，有Lp1＝Ls1且Lp2＝Ls2成立。同时合理地设计磁耦合机构的参数，可以使得M1＝M2,从而a11＝a22＝0，即说明了在输入电压以及耦合机构不变的情况下可以保持输出电流恒定，并且在一定范围之内不受负载变化的影响。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (1)

1.一种双SS混合补偿拓扑，包括输入电路、负载电路、补偿电路和感应补偿电路，其特征是，所述的输入电路与负载电路相耦合，所述的补偿电路与感应补偿电路相耦合，所述的输入电路与补偿电路电性连接，所述的负载电路与感应补偿电路电性连接；所述的输入电路包括电源U0、电容Cp1和电感Lp1，所述的电源U0的正极与电容Cp1的一端电性连接，所述的电源U0的负极与电感Lp1的一端电性连接，所述的电容Cp1的另一端与电感Lp1的另一端电性连接；所述的负载电路包括负载RE、电容Cs1和电感Ls1，所述的电感Ls1与电感Lp1磁性耦合，所述的电感Ls1的一端与电容Cs1的一端电性连接，所述的电感Ls1的另一端与负载RE的负极电性连接，所述的电容Cs1的另一端与负载RE的正极电性连接；所述的补偿电路包括电容Cp2和电感Lp2，所述的电容Cp2的一端与电容Cp1的一端电性连接，所述的电容Cp2的另一端与电感Lp2一端电性连接，所述的电感Lp2另一端与电感Lp1的一端电性连接；所述的感应补偿电路包括电容Cs2和电感Ls2，所述的电感Ls2与电感Lp2磁性耦合，所述的电感Ls2的一端与电容Cs2的一端电性连接，所述的电感Ls2的另一端与电感Ls1的另一端电性连接，所述的电容Cs2的另一端与电容Cs1的另一端电性连接；该双SS混合补偿拓扑的参数设计方法为：

结合该拓扑的受控源模型进行具体分析，采用双系统抗偏移结构的受控源模型，将Lp1、Ls1、Cp1和Cs1组成的二端口与Lp2、Ls2、Cp2和Cs2组成的二端口视作两个并联的二端口，分别列写出各自的传输方程如公式：

下面推导该式中各参量的表达式；

Lp1、Ls1、Cp1和Cs1组成的二端口网络，其所满足的方程如公式：

整理可得公式：

将Lp1、Ls1、Cp1和Cs1组成的二端口网络与Lp2、Ls2、Cp2和Cs2组成的二端口网络进行并联，整理可得公

式：

由输入、输出端口电流关系可得：

联立公式：

得到公式/>其中每一个系数的具体表达式如公式

I₁₁为流过电感Lp1的电流；I₁₂为流过电感Lp2的电流；I₂₁为流过电感Ls1的电流；I₂₂为流过电感Ls2的电流；Z₁₁为电感Lp1与电容Cp1串联形成的等效交流阻抗；Z₁₂为电感Lp2与电容Cp2串联形成的等效交流阻抗；Z₂₁为电感Ls1与电容Cs1串联形成的等效交流阻抗；Z₂₂为电感Ls2与电容Cs2串联形成的等效交流阻抗；M₁为Lp1和Ls1的互感值；M₂为Lp2和Ls2的互感值；I₁、I₂分别为流过原边交流激励源与副边等效电阻负载的电流，所述的原边交流激励源为电源UO，所述的副边等效电阻为负载RE；u_p11为Lp1和Ls1组成的等效受控源模型中的原边受控源电压；u_s21为Lp2和Ls2组成的等效受控源模型中的副边受控源电压；该拓扑的输入电压可等效为电压U₁，该拓扑的输出电压可等效为电压U₂，ω为该拓扑的角频率，j为虚数符号，Z_M1为M₁的感抗，Z_M1＝jωM₁，Z_M2为M₂的感抗，Z_M2＝jωM₂；

当所采用的磁耦合结构原、副边结构对称时，有Lp1＝Ls1且Lp2＝Ls2成立；同时合理地设计磁耦合机构的参数，可以使得M₁＝M₂，从而a₁₁＝a₂₂＝0，即说明了在输入电压以及耦合机构不变的情况下可以保持输出电流恒定，并且在一定范围之内不受负载变化的影响。