CN113691027A - 一种lcc-s型无线电能传输系统及参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种LCC‑S型无线电能传输系统及参数设计方法，系统包括：全桥逆变电路、发射端LCC型谐振补偿网络、耦合线圈机构、接收端S型谐振补偿网络和等效负载模块。方法包括：S1、根据输入、输出和输出特性曲线，对无线电能传输系统进行参数初始计算与选取；S2、根据LCC‑S型谐振拓扑失谐状态的电路输出特性得到参数优化设计约束一；S3、根据全桥逆变电路功率器件的软开关动作实现条件得到参数优化设计约束二；S4、完成对系统优化参数的计算与选取。本发明使无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下保持相对稳定的电压、功率和较高运行效率，降低系统对耦合系数变化的敏感度，提高泛用性。

Description

一种LCC-S型无线电能传输系统及参数设计方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种LCC-S型无线电能传输系统及参数设计方法，尤其涉及一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统及适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统的拓扑参数设计方法。
背景技术
无线电能传输技术具有安全、便捷和减少线材磨损等多种优点，是一种极具发展潜力的新型充电方式，目前在诸如电动汽车、无人机、便携式电子设备和可移植式医疗设备等多种场合都有广泛应用。然而，无线电能传输技术的一大缺点是：系统的输出功率与运行效率受能量传输线圈间互感影响很大。当能量传输线圈间的互感降低时，系统的输出功率与运行效率将显著降低。在实际应用中，能量传输线圈间的互感非常容易偏离系统设计的初始值。两能量传输线圈间的水平偏移、垂直偏移以及角度变化等工况，都会使无线电能传输系统的工作点偏离预设的最优区域，导致系统输出功率和运行效率的降低。
为了应对耦合系数宽范围变化工况给无线电能传输系统带来的不利影响，有学者提出了具有优秀抗偏移性能的线圈设计，如DD型线圈和DDQ型线圈等，一些研究则提出了新型的控制策略。但新型的线圈设计方案并不一定适合各种应用场合，复杂的控制策略也带来了操作上的不便性。因此，如果能从无线电能传输系统的谐振拓扑参数设计中进行改进，从而改善无线电能传输系统应对耦合系数宽范围变化工况的表现性能，将会是一个更经济和更便利的优化方案。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统及其拓扑参数设计方法，不仅使无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下能够保持输出功率的相对稳定，还兼顾了减少电路中的高频开关器件损耗，使无线电能传输系统同样能够保持较高的运行效率。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种LCC-S型无线电能传输系统，所述LCC-S型无线电能传输系统适用于耦合系数宽范围变化工况，所述LCC-S型无线电能传输系统包括：全桥逆变电路、发射端LCC型谐振补偿网络、耦合线圈机构、接收端S型谐振补偿网络和等效负载模块；
所述全桥逆变电路的输入端与直流电压Vi相连，全桥逆变电路的输出端与发射端LCC型谐振补偿网络相连，所述发射端LCC型谐振补偿网络与耦合线圈机构相连；所述耦合线圈机构与接收端S型谐振补偿网络相连；所述接收端S型谐振补偿网络与等效负载模块相连。
在上述技术方案的基础上，所述发射端LCC型谐振补偿网络包括：串联谐振电感Ls1、发射端串联谐振电容Cs1、发射端并联谐振电容Cp1、串联谐振电感等效内阻Rs1和发射线圈等效内阻R1；
所述耦合线圈机构包括：发射线圈自感L1和接收线圈自感L2；
所述接收端S型谐振补偿网络包括：串联谐振电容C2和接收线圈等效内阻R2；
所述等效负载模块包括：等效负载电阻RL；
所述串联谐振电感Ls1的一端与全桥逆变电路连接，串联谐振电感Ls1的另一端与发射端串联谐振电容Cs1的一端、发射端并联谐振电容Cp1的一端均连接；
所述串联谐振电感等效内阻Rs1的一端与全桥逆变电路连接，串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端与发射端并联谐振电容Cp1的另一端、发射线圈等效内阻R1的一端均连接；
所述发射端串联谐振电容Cs1的另一端与发射线圈自感L1的一端连接；所述发射线圈自感L1的另一端与发射线圈等效内阻R1的另一端连接；
所述接收线圈自感L2的一端与串联谐振电容C2的一端连接，串联谐振电容C2的另一端与等效负载电阻RL的一端连接，等效负载电阻RL的另一端与接收线圈等效内阻R2的一端连接；接收线圈等效内阻R2的另一端与接收线圈自感L2的另一端连接；
所述发射端LCC型谐振补偿网络与所述耦合线圈机构中的发射线圈自感L1共同组成LCC-S型无线电能传输系统的发射端谐振腔；
所述发射端谐振腔的拓扑参数包括：串联谐振电感Ls1、串联谐振电感等效内阻Rs1、发射端并联谐振电容Cp1、发射端串联谐振电容Cs1、发射线圈自感L1和发射线圈等效内阻R1；
所述耦合线圈机构中的接收线圈自感L2与所述接收端S型谐振补偿网络共同组成LCC-S型无线电能传输系统的接收端谐振腔；
所述接收端谐振腔的拓扑参数包括：接收线圈自感L2、串联谐振电容C2和接收线圈等效内阻R2；
所述等效负载模块两端电压为LCC-S型无线电能传输系统的输出电压Vo，等效负载模块上消耗的功率为LCC-S型无线电能传输系统的等效输出功率。
在上述技术方案的基础上，所述全桥逆变电路由4只工作在高频模式下的功率开关器件S1、功率开关器件S2、功率开关器件S3、功率开关器件S4、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成。
在上述技术方案的基础上，所述功率开关器件S1、功率开关器件S2、功率开关器件S3和功率开关器件S4均为：IGBT或MOSFET。
在上述技术方案的基础上，所述LCC-S型无线电能传输系统根据失谐系数对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计，或对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行功率开关切换式优化设计，实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下输出电压和输出功率的相对稳定，达到降低LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高LCC-S型无线电能传输系统泛用性的目的。
在上述技术方案的基础上，对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计是指：
将发射端并联谐振电容Cp1由开关S5、开关S6、开关S7、电容Cp1_1st、电容Cp1_2nd和电容Cp1_3rd替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与开关S5、开关S6、开关S7的一端均连接；所述开关S5的另一端与电容Cp1_1st的一端连接，所述开关S6的另一端与电容Cp1_2nd的一端连接，所述开关S7的另一端与电容Cp1_3rd的一端连接；所述电容Cp1_1st、电容Cp1_2nd和电容Cp1_3rd的另一端均与串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端连接；
将发射端串联谐振电容Cs1由开关S8、开关S9、开关S10、电容Cs1_1st、电容Cs1_2nd和电容Cs1_3rd替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与开关S8、开关S9、开关S10的一端均连接；所述开关S8的另一端与电容Cs1_1st的一端连接，所述开关S9的另一端与电容Cs1_2nd的一端连接，所述开关S10的另一端与电容Cs1_3rd的一端连接；所述电容Cs1_1st、电容Cs1_2nd和电容Cs1_3rd的另一端均与发射线圈自感L1的一端连接。
在上述技术方案的基础上，对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行功率开关切换式优化设计是指：
将发射端并联谐振电容Cp1由功率开关S11、电容Cp1_min和电容Cp1_ad替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与电容Cp1_min的一端连接；所述电容Cp1_min的另一端与串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端连接；
将所述功率开关S11与电容Cp1_ad串联后，再一起与所述电容Cp1_min并联；
将发射端串联谐振电容Cs1由功率开关S12、电容Cs1_min和电容Cs1_ad替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与电容Cs1_min的一端连接；所述电容Cs1_min的另一端与发射线圈自感L1的一端连接；
将所述功率开关S12与电容Cs1_ad串联后，再一起与所述电容Cs1_min并联；
其中，Cp1_min表示：并联谐振电容的最小值；Cp1_ad表示：受功率开关控制可连续变化的额外并联谐振电容；Cs1_min表示：串联谐振电容的最小值；Cs1_ad表示：受功率开关控制可连续变化的额外串联谐振电容。
一种LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，包括以下步骤：
S1、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和标准谐振条件下LCC-S型无线电能传输系统的输出特性曲线，对LCC-S型无线电能传输系统进行参数初始计算与选取，作为LCC-S型无线电能传输系统参数进一步优化设计的基准；
S2、根据LCC-S型谐振拓扑在失谐状态下的电路输出特性分析得到：在耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件一；
S3、根据全桥逆变电路功率器件的软开关动作实现条件得到：在耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二；
S4、基于上述两约束条件，完成对LCC-S型无线电能传输系统优化参数的计算与选取，进而用于指导LCC-S型无线电能传输系统的实际设计与搭建。
在上述技术方案的基础上，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和LCC-S型拓扑的标准谐振条件，利用电路互感原理得到，工作在标准谐振工况下应用LCC-S型拓扑的无线电能传输系统，其输入阻抗Zin(Tuned)、电压增益Gv(Tuned)、电流增益Gi(Tuned)、输出功率Po(Tuned)和系统效率η(Tuned)的计算表达式如式(1)所示，
Figure BDA0003128584790000061
其中，ω0＝2πf0，表示LCC-S型无线电能传输系统的谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0表示LCC-S型无线电能传输系统的谐振频率，亦即系统功率器件的开关频率，单位为：s-1；M表示发射线圈与接收线圈间的互感，单位为：H；RL为等效负载电阻；
S12、通过数学求导，分析RL、M和f0取不同的数值，分别对Gv(Tuned)、Po(Tuned)和η(Tuned)的影响效果，结合通过MATLAB软件绘制的标准谐振条件下LCC-S型拓扑系统输出特性曲线，确定工作在标准谐振条件下的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计选取，使LCC-S型无线电能传输系统获得在标准谐振工况下的最优性能表现，如式(2)所示，
Figure BDA0003128584790000062
其中，Gv(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Gv(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Gv(Tuned)获得最优值Gv(Tuned-opt)；
Po(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Po(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Po(Tuned)获得最优值Po(Tuned-opt)；
η(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝η(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，η(Tuned)获得最优值η(Tuned-opt)；
利用下标“opt”表示相应参数的最优取值；
S13、根据实际系统应用环境确定发射线圈与接收线圈间耦合系数的优选值k(opt)，结合上一步骤得到的M(opt)和f0(opt)，代入到LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件中，计算得到LCC-S型无线电能传输系统在标准谐振工况下的一组完整的最优参数设计，并以此组参数作为下一步优化宽范围耦合系数变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值，所述LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件如式(3)所示，
Figure BDA0003128584790000071
其中，ω0(opt)为：f0取最优值f0(opt)时，对应的ω0的取值；
所述LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值包括：串联谐振电感的最优取值Ls1(opt)、发射端并联谐振电容的最优取值Cp1(opt)、发射端串联谐振电容的最优取值Cs1(opt)、发射线圈自感的最优取值L1(opt)、接收线圈自感的最优取值L2(opt)、串联谐振电容的最优取值C2(opt)、M(opt)、ω0(opt)和RL(opt)。
在上述技术方案的基础上，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、保持通过步骤S1得到的参数设计中的串联谐振电感Ls1、发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、串联谐振电容C2、等效负载电阻RL、串联谐振电感等效内阻Rs1、发射线圈等效内阻R1和接收线圈等效内阻R2不变，只改变发射端并联谐振电容Cp1和发射端串联谐振电容Cs1的数值，使LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下，并定义失谐系数α和β如式(4)所示，用以表征LCC-S型无线电能传输系统的失谐程度；
Figure BDA0003128584790000081
其中，Cs1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端串联谐振电容的优化取值，Cp1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端并联谐振电容的优化取值；
利用下标“Detuned”表示失谐状态下的相应谐振电容优化取值；
S22、同样，利用电路互感原理得到，工作在失谐状态下的LCC-S型无线电能传输系统的输入阻抗Zin(Detuned)、电压增益Gv(Detuned)、电流增益Gi(Detuned)、输出功率Po(Detuned)和系统效率η(Detuned)的表达式如式(5)所示，
Figure BDA0003128584790000082
其中，M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，发射线圈与接收线圈间的互感；
多项式A和B如式(6)所示，
Figure BDA0003128584790000083
其中，ω0(opt)＝2πf0(opt)表示：LCC-S型无线电能传输系统的优选谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0(opt)表示：LCC-S型无线电能传输系统的优选谐振频率，亦即系统功率器件的开关频率，单位为：s-1；M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，发射线圈与接收线圈间的互感，单位为：H；
S23、当耦合系数出现宽范围变化时，令失谐状态下的电压增益Gv(Detuned)等于标准谐振工况下的电压增益Gv(Tuned)，则得到LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化时的参数优化设计约束条件一，如式(7)所示，
Figure BDA0003128584790000091
由于在失谐状态下，电压增益Gv、输入电压Vi和等效负载电阻RL的数值与标准谐振工况下的数值相比，均未发生改变，则LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的输出功率也将与标准谐振工况下保持一致，实现了LCC-S型无线电能传输系统输出功率的稳定控制。
在上述技术方案的基础上，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、计算失谐状态下LCC-S型无线电能传输系统全桥逆变电路的功率开关器件实现零电压开通(ZVS)动作的条件，如式(8)所示，
Figure BDA0003128584790000101
其中，
Figure BDA0003128584790000102
表示：LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的基波阻抗；
Figure BDA0003128584790000103
表示：LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的高次谐波阻抗；
Figure BDA0003128584790000104
表示：全桥逆变电路输出的方波电压；
Figure BDA0003128584790000105
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的基波成分；
Figure BDA0003128584790000106
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的高次谐波成分；
Figure BDA0003128584790000107
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断的总电流；Coss表示：全桥逆变功率开关器件输出的寄生电容值；Vi,max表示：全桥逆变电路直流输入电压的最大值；tD表示：全桥逆变功率开关器件动作时，存在的死区时间；
Figure BDA0003128584790000108
表示：全桥逆变电路的输入端直流电压；t表示：时间；
Figure BDA0003128584790000109
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的基波分量；
Figure BDA00031285847900001010
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的高次谐波分量；
S32、计算失谐状态下LCC-S型无线电能传输系统全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断(ZCS)动作的条件，如式(9)所示，
Figure BDA0003128584790000111
S33、根据全桥逆变电路应用的功率开关器件类型、全桥逆变电路的工作频率和实际LCC-S型无线电能传输系统运行中的特殊电磁兼容性能需求等，对全桥逆变电路的功率器件要实现的软开关动作类型(ZVS或ZCS)进行择优选取，并以相应的功率器件软开关动作实现条件作为耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电压开通时，所述约束条件二为：公式(8)；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断时，所述约束条件二为：公式(9)。
在上述技术方案的基础上，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、联立由步骤S2得到的参数优化设计约束条件一和步骤S3得到的参数优化设计约束条件二，进行精确地数学求解；
S42、绘制参数优化设计约束条件一随α和β变化的特性曲线，绘制参数优化设计约束条件二随α和β变化的特性曲线，通过图解和迭代的方式确定失谐状态优化设计的最优解；
S43、单独采用步骤S41和步骤S42所述方法中的一种或结合(对于复杂的数学运算，通过解析法与图解法的结合推算其数学结果的过程属于一种目前常用的有效方法)以上两种方法的优势，计算得到耦合系数宽范围变化时对应的失谐系数α和β的值，进而根据失谐系数对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计或功率开关切换式电容优化设计，实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下输出电压和输出功率的相对稳定，达到降低LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高LCC-S型无线电能传输系统泛用性的目的。
本发明的有益技术效果如下：
方法主要通过对谐振补偿拓扑中谐振元件的参数进行优化计算与选取，使无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化的工况下依然能够保持输出电压、输出功率的相对稳定及发射端全桥逆变电路中功率开关器件的软开关动作，进而维持系统较高的运行效率。
本发明提出的参数优化方法可使无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化的工况下保持相对稳定的电压、功率输出和较高的运行效率，降低了系统对耦合系数变化的敏感度，提高了系统的泛用性。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明实施例提供的一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统的电路拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统的拓扑参数设计方法的总体流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统的等效电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统拓扑参数设计方法的具体流程示意图；
图5为本发明实施例提供的基于一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统而设计的开关切换式并联型谐振电容组实施方案电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的基于一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统而设计的功率开关切换式谐振电容实施方案电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供了一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统，如图1所示，LCC-S型无线电能传输系统包括：全桥逆变电路(如图1中的虚线框Ⅰ内所示)、发射端LCC型谐振补偿网络(如图1中的虚线框Ⅱ内所示)、耦合线圈机构(如图1中的虚线框Ⅲ内所示)、接收端S型谐振补偿网络(如图1中的虚线框Ⅳ内所示)和等效负载模块(可以包含全桥整流电路)(如图1中的虚线框Ⅴ内所示)。图1中的全桥逆变电路使用IGBT作为功率开关器件，根据实际应用场合需要也可更换为MOSFET。
根据失谐系数对LCC-S型无线电能传输系统中的发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计(发射端串联谐振电容Cs1的优化设计如图5中的虚线框VII内所示，发射端并联谐振电容Cp1的优化设计如图5中的虚线框Ⅵ内所示)或功率开关切换式电容优化设计(发射端串联谐振电容Cs1的优化设计如图6中的虚线框VII内所示，发射端并联谐振电容Cp1的优化设计如图6中的虚线框Ⅵ内所示)实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下输出电压和输出功率的相对稳定，达到降低LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高LCC-S型无线电能传输系统泛用性的目的。
综上所述，本发明实施例提供了一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统。基于优选负载电阻、谐振频率和耦合线圈互感设计的标准谐振工况下LCC-S型拓扑电路，针对耦合系数宽范围变化工况，提出使LCC-S型无线电能传输系统工作在可调节的失谐状态下，以实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化情况发生时输出电压和输出功率的恒定，并通过应用软开关技术降低功率器件开关的损耗，保持LCC-S型无线电能传输系统的高效率运行。本发明实施例通过只改变LCC-S型拓扑系统发射端并联谐振电容与发射端串联谐振电容的值，实现了LCC-S型无线电能传输系统在宽耦合系数变化范围下的稳定电压与稳定功率输出，降低了LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高了LCC-S型无线电能传输系统的泛用性能。
本发明实施例提供了一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统的拓扑参数设计方法，如图2所示，LCC-S型无线电能传输系统的拓扑参数设计方法包括以下步骤：
S1、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和标准谐振条件下LCC-S型无线电能传输系统的输出特性曲线，对LCC-S型无线电能传输系统进行参数初始计算与选取，作为LCC-S型无线电能传输系统参数进一步优化设计的基准，具体包括如下步骤：
S11、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和LCC-S型拓扑的标准谐振条件，根据图3所示等效电路，利用电路互感原理得到，工作在标准谐振工况下应用LCC-S型拓扑的无线电能传输系统，其输入阻抗Zin(Tuned)、电压增益Gv(Tuned)、电流增益Gi(Tuned)、输出功率Po(Tuned)和系统效率η(Tuned)的表达式如式(1)所示，
Figure BDA0003128584790000151
式中，ω0＝2πf0，表示LCC-S型谐振拓扑的系统谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0表示LCC-S型谐振拓扑的系统谐振频率，亦即系统功率器件的开关频率，单位为：s-1；M表示能量发射线圈与能量接收线圈间的互感，单位为：H；RL为等效负载电阻。
在图3中，其中，
Figure BDA0003128584790000161
为：LCC-S谐振网络的输入端电流，也为全桥逆变电路的输出电流；
Figure BDA0003128584790000162
为：流经发射线圈的电流；
Figure BDA0003128584790000163
为：流经接收线圈的电流；
Figure BDA0003128584790000164
为：等效负载模块两端的电压；
Figure BDA0003128584790000165
为：根据互感原理在发射端电路中引入的感应电动势；
Figure BDA0003128584790000166
为：根据互感原理在接收端电路中引入的感应电动势。
S12、通过数学求导分析不同数值的RL、M和f0分别对Zin(Tuned)、Po(Tuned)和η(Tuned)各自的影响效果，结合通过MATLAB软件绘制的标准谐振条件下LCC-S型拓扑系统输出特性曲线，确定工作在标准谐振条件下的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计选取，使LCC-S型无线电能传输系统获得标准谐振工况下的最优性能表现，如式(2)所示，
Figure BDA0003128584790000167
其中，Gv(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Gv(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Gv(Tuned)获得最优值Gv(Tuned-opt)；
Po(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Po(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Po(Tuned)获得最优值Po(Tuned-opt)；
η(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝η(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，η(Tuned)获得最优值η(Tuned-opt)；
式中，利用下标“opt”表示相应参数的最优取值。
S13、根据实际系统应用环境确定发射端线圈与接收端线圈间耦合系数的优选值k(opt)，结合上一步骤得到的M(opt)和f0(opt)，代入到LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件中，计算得到LCC-S型无线电能传输系统在标准谐振工况下的一组完整的最优参数设计，并以此组参数作为下一步优化宽范围耦合系数变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值，
Figure BDA0003128584790000171
上式即为LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件。由此得到LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值包括：串联谐振电感的最优取值Ls1(opt)、发射端并联谐振电容的最优取值Cp1(opt)、发射端串联谐振电容的最优取值Cs1(opt)、发射线圈自感的最优取值L1(opt)、接收线圈自感的最优取值L2(opt)、串联谐振电容的最优取值C2(opt)、M(opt)、ω0(opt)和RL(opt)。
S2、根据LCC-S型谐振拓扑在失谐状态下的电路输出特性分析得到：耦合系数宽范围变化工况下系统参数优化设计的约束条件一，具体包括以下步骤：
S21、保持通过步骤S1得到的参数设计中的发射端串联谐振电感Ls1、发射端线圈自感L1、接收端线圈自感L2、接收端串联谐振电容C2、等效负载电阻RL、各支路内阻Rs1、R1和R2不变，只改变发射端并联谐振电容Cp1和发射端串联谐振电容Cs1的数值，使LCC-S型拓扑系统工作在失谐状态下，并定义失谐系数α和β如如式(4)所示，用以表征LCC-S型谐振拓扑的失谐程度；
Figure BDA0003128584790000172
式中，Cs1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端串联谐振电容的优化取值，Cp1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端并联谐振电容的优化取值；
利用下标“Detuned”表示失谐状态下的相应谐振电容优化取值。
S22、同样根据图3，利用电路互感原理可以得到，工作在失谐工况下应用LCC-S型拓扑的无线电能传输系统，其输入阻抗Zin(Detuned)、电压增益Gv(Detuned)、电流增益Gi(Detuned)、输出功率Po(Detuned)和系统效率η(Detuned)的表达式如式(5)所示，
Figure BDA0003128584790000181
其中，M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，发射线圈与接收线圈间的互感；
多项式A和B如式(6)所示，
Figure BDA0003128584790000182
式中，ω0(opt)＝2πf0(opt)表示：LCC-S型谐振拓扑的优选系统谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0(opt)表示：LCC-S型谐振拓扑的优选系统谐振频率，亦即系统功率器件的开关频率，单位为：s-1；M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，能量发射线圈与接收线圈间的互感，单位为：H。
S23、当线圈耦合系数出现宽范围变化时，令失谐工况下的系统电压增益Gv(Detuned)等于标准谐振工况下的系统电压增益Gv(Tuned)，则可以得到LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化时的参数优化设计约束条件一，如式(7)所示，
Figure BDA0003128584790000191
由于在失谐工况下，系统电压增益Gv、输入电压Vi和等效负载电阻RL的数值与标准谐振工况下的数值相比，均未发生改变，则LCC-S型无线电能传输系统在失谐工况下的输出功率也将与标准谐振工况下保持一致，实现了LCC-S型无线电能传输系统输出功率的稳定控制。
S3、根据全桥逆变电路功率器件的软开关动作实现条件得到：耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二，具体包括以下步骤：
S31、计算失谐工况下LCC-S型拓扑系统发射端全桥逆变电路功率开关器件实现零电压开通(ZVS)动作的条件，如式(8)所示，
Figure BDA0003128584790000201
式中，
Figure BDA0003128584790000202
表示：LCC-S型谐振拓扑系统在失谐工况下的基波阻抗；
Figure BDA0003128584790000203
表示：LCC-S型谐振拓扑系统在失谐工况下的高次谐波阻抗；
Figure BDA0003128584790000204
表示全桥逆变电路输出的方波电压；
Figure BDA0003128584790000205
表示：当LCC-S型谐振拓扑系统工作在失谐工况下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的基波成分；
Figure BDA0003128584790000206
表示：当LCC-S型谐振拓扑系统工作在失谐工况下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的高次谐波成分；
Figure BDA0003128584790000207
表示：当LCC-S型谐振拓扑系统工作在失谐工况下时，全桥逆变功率开关器件关断的总电流；Coss表示：全桥逆变功率开关器件输出的寄生电容值；Vi,max表示：全桥逆变电路直流输入电压的最大值；tD表示：全桥逆变功率开关器件动作时，存在的死区时间；
Figure BDA0003128584790000208
表示：全桥逆变电路的输入端直流电压；t表示：时间；
Figure BDA0003128584790000209
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的基波分量；
Figure BDA00031285847900002010
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的高次谐波分量。
S32、计算失谐工况下LCC-S型拓扑系统发射端全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断(ZCS)动作的条件，如式(9)所示，
Figure BDA0003128584790000211
S33、根据系统发射端全桥逆变电路应用的功率开关器件类型、全桥逆变电路的工作频率和实际LCC-S型无线电能传输系统运行中的特殊电磁兼容性能需求等，对全桥逆变电路的功率器件要实现的软开关动作类型(ZVS或ZCS)进行择优选取，并以相应的功率器件软开关动作实现条件作为耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电压开通时，所述约束条件二为：公式(8)；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断时，所述约束条件二为：公式(9)。
S4、基于上述两约束条件，完成对LCC-S型无线电能传输系统优化参数的计算与选取，进而用于指导LCC-S型无线电能传输系统的实际设计与搭建，具体包括以下步骤：
S41、方法一：联立由步骤S2和步骤S3得到的两参数优化设计约束条件，进行精确地数学求解；
S42、方法二：分别绘制出两参数优化设计约束条件分别随α和β变化的特性曲线，通过图解和迭代的方式确定失谐状态优化设计的最优解；
S43、单独采用以上两种方法中的一种或结合以上两种方法的优势，计算得到耦合系数宽范围变化时对应的失谐系数α和β的值，进而根据失谐系数对系统发射端串联谐振电容Cs1和并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计(如图5中的虚线框VI和VII内所示)或功率开关切换式电容优化设计(如图6中的虚线框VI、VII内所示)，实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下输出电压和输出功率的相对稳定，达到降低LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高LCC-S型无线电能传输系统泛用性的目的。
综上所述，本发明实施例提供了一种适用于耦合系数宽范围变化工况的LCC-S型无线电能传输系统及其拓扑参数设计方法，总体设计思路如图4所示。基于优选负载电阻、谐振频率和耦合线圈互感设计的标准谐振工况下LCC-S型拓扑电路，针对耦合系数宽范围变化工况，提出使LCC-S型系统电路工作在可调节的失谐状态下，以实现系统在耦合系数宽范围变化情况发生时，输出电压和输出功率的恒定，并通过应用软开关技术降低功率器件开关的损耗，保持系统的高效率运行。本发明实施例通过只改变LCC-S型拓扑系统发射端并联谐振电容与串联谐振电容的值，实现了LCC-S型拓扑系统在宽耦合系数变化范围下的稳定电压与功率输出，降低了LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高了LCC-S型无线电能传输系统的泛用性能。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种LCC-S型无线电能传输系统，其特征在于，所述LCC-S型无线电能传输系统适用于耦合系数宽范围变化工况，所述LCC-S型无线电能传输系统包括：全桥逆变电路、发射端LCC型谐振补偿网络、耦合线圈机构、接收端S型谐振补偿网络和等效负载模块；
所述全桥逆变电路的输入端与直流电压Vi相连，全桥逆变电路的输出端与发射端LCC型谐振补偿网络相连，所述发射端LCC型谐振补偿网络与耦合线圈机构相连；所述耦合线圈机构与接收端S型谐振补偿网络相连；所述接收端S型谐振补偿网络与等效负载模块相连。
2.如权利要求1所述的LCC-S型无线电能传输系统，其特征在于：所述发射端LCC型谐振补偿网络包括：串联谐振电感Ls1、发射端串联谐振电容Cs1、发射端并联谐振电容Cp1、串联谐振电感等效内阻Rs1和发射线圈等效内阻R1；
所述耦合线圈机构包括：发射线圈自感L1和接收线圈自感L2；
所述接收端S型谐振补偿网络包括：串联谐振电容C2和接收线圈等效内阻R2；
所述等效负载模块包括：等效负载电阻RL；
所述串联谐振电感Ls1的一端与全桥逆变电路连接，串联谐振电感Ls1的另一端与发射端串联谐振电容Cs1的一端、发射端并联谐振电容Cp1的一端均连接；
所述串联谐振电感等效内阻Rs1的一端与全桥逆变电路连接，串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端与发射端并联谐振电容Cp1的另一端、发射线圈等效内阻R1的一端均连接；
所述发射端串联谐振电容Cs1的另一端与发射线圈自感L1的一端连接；所述发射线圈自感L1的另一端与发射线圈等效内阻R1的另一端连接；
所述接收线圈自感L2的一端与串联谐振电容C2的一端连接，串联谐振电容C2的另一端与等效负载电阻RL的一端连接，等效负载电阻RL的另一端与接收线圈等效内阻R2的一端连接；接收线圈等效内阻R2的另一端与接收线圈自感L2的另一端连接；
所述发射端LCC型谐振补偿网络与所述耦合线圈机构中的发射线圈自感L1共同组成LCC-S型无线电能传输系统的发射端谐振腔；
所述发射端谐振腔的拓扑参数包括：串联谐振电感Ls1、串联谐振电感等效内阻Rs1、发射端并联谐振电容Cp1、发射端串联谐振电容Cs1、发射线圈自感L1和发射线圈等效内阻R1；
所述耦合线圈机构中的接收线圈自感L2与所述接收端S型谐振补偿网络共同组成LCC-S型无线电能传输系统的接收端谐振腔；
所述接收端谐振腔的拓扑参数包括：接收线圈自感L2、串联谐振电容C2和接收线圈等效内阻R2；
所述等效负载模块两端电压为LCC-S型无线电能传输系统的输出电压Vo，等效负载模块上消耗的功率为LCC-S型无线电能传输系统的等效输出功率。
3.如权利要求2所述的LCC-S型无线电能传输系统，其特征在于：所述LCC-S型无线电能传输系统根据失谐系数对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计，或对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行功率开关切换式优化设计。
4.如权利要求3所述的LCC-S型无线电能传输系统，其特征在于：对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计是指：
将发射端并联谐振电容Cp1由开关S5、开关S6、开关S7、电容Cp1_1st、电容Cp1_2nd和电容Cp1_3rd替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与开关S5、开关S6、开关S7的一端均连接；所述开关S5的另一端与电容Cp1_1st的一端连接，所述开关S6的另一端与电容Cp1_2nd的一端连接，所述开关S7的另一端与电容Cp1_3rd的一端连接；所述电容Cp1_1st、电容Cp1_2nd和电容Cp1_3rd的另一端均与串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端连接；
将发射端串联谐振电容Cs1由开关S8、开关S9、开关S10、电容Cs1_1st、电容Cs1_2nd和电容Cs1_3rd替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与开关S8、开关S9、开关S10的一端均连接；所述开关S8的另一端与电容Cs1_1st的一端连接，所述开关S9的另一端与电容Cs1_2nd的一端连接，所述开关S10的另一端与电容Cs1_3rd的一端连接；所述电容Cs1_1st、电容Cs1_2nd和电容Cs1_3rd的另一端均与发射线圈自感L1的一端连接。
5.如权利要求3所述的LCC-S型无线电能传输系统，其特征在于：对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行功率开关切换式优化设计是指：
将发射端并联谐振电容Cp1由功率开关S11、电容Cp1_min和电容Cp1_ad替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与电容Cp1_min的一端连接；所述电容Cp1_min的另一端与串联谐振电感等效内阻Rs1的另一端连接；
将所述功率开关S11与电容Cp1_ad串联后，再一起与所述电容Cp1_min并联；
将发射端串联谐振电容Cs1由功率开关S12、电容Cs1_min和电容Cs1_ad替换，并进行以下连接关系：所述串联谐振电感Ls1的另一端与电容Cs1_min的一端连接；所述电容Cs1_min的另一端与发射线圈自感L1的一端连接；
将所述功率开关S12与电容Cs1_ad串联后，再一起与所述电容Cs1_min并联；
其中，Cp1_min表示：并联谐振电容的最小值；Cp1_ad表示：受功率开关控制可连续变化的额外并联谐振电容；Cs1_min表示：串联谐振电容的最小值；Cs1_ad表示：受功率开关控制可连续变化的额外串联谐振电容。
6.一种应用权利要求1-5任一权利要求所述的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和标准谐振条件下LCC-S型无线电能传输系统的输出特性曲线，对LCC-S型无线电能传输系统进行参数初始计算与选取，作为LCC-S型无线电能传输系统参数进一步优化设计的基准；
S2、根据LCC-S型谐振拓扑在失谐状态下的电路输出特性分析得到：在耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件一；
S3、根据全桥逆变电路功率器件的软开关动作实现条件得到：在耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二；
S4、基于上述两约束条件，完成对LCC-S型无线电能传输系统优化参数的计算与选取，进而用于指导LCC-S型无线电能传输系统的实际设计与搭建。
7.如权利要求6所述的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、根据已知LCC-S型无线电能传输系统的输入条件、等效负载输出需求和LCC-S型拓扑的标准谐振条件，利用电路互感原理得到，工作在标准谐振工况下应用LCC-S型拓扑的无线电能传输系统，其输入阻抗Zin(Tuned)、电压增益Gv(Tuned)、电流增益Gi(Tuned)、输出功率Po(Tuned)和系统效率η(Tuned)的计算表达式如式(1)所示，
Figure FDA0003128584780000051
其中，ω0＝2πf0，表示LCC-S型无线电能传输系统的谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0表示LCC-S型无线电能传输系统的谐振频率，单位为：s-1；M表示发射线圈与接收线圈间的互感，单位为：H；RL为等效负载电阻；
S12、通过数学求导，分析RL、M和f0取不同的数值，分别对Gv(Tuned)、Po(Tuned)和η(Tuned)的影响效果，结合通过MATLAB软件绘制的标准谐振条件下LCC-S型拓扑系统输出特性曲线，确定工作在标准谐振条件下的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计选取，使LCC-S型无线电能传输系统获得在标准谐振工况下的最优性能表现，如式(2)所示，
Figure FDA0003128584780000052
其中，Gv(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Gv(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Gv(Tuned)获得最优值Gv(Tuned-opt)；
Po(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝Po(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，Po(Tuned)获得最优值Po(Tuned-opt)；
η(Tuned)[RL(opt),M(opt),f0(opt)]＝η(Tuned-opt)表示：在RL取最优值RL(opt)、M取最优值M(opt)和f0取最优值f0(opt)时，η(Tuned)获得最优值η(Tuned-opt)；
S13、根据实际系统应用环境确定发射线圈与接收线圈间耦合系数的优选值k(opt)，结合上一步骤得到的M(opt)和f0(opt)，代入到LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件中，计算得到LCC-S型无线电能传输系统在标准谐振工况下的一组完整的最优参数设计，并以此组参数作为下一步优化宽范围耦合系数变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值，所述LCC-S型谐振拓扑的标准谐振条件如式(3)所示，
Figure FDA0003128584780000061
其中，ω0(opt)为：f0取最优值f0(opt)时，对应的ω0的取值；
所述LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计时的基准值包括：串联谐振电感的最优取值Ls1(opt)、发射端并联谐振电容的最优取值Cp1(opt)、发射端串联谐振电容的最优取值Cs1(opt)、发射线圈自感的最优取值L1(opt)、接收线圈自感的最优取值L2(opt)、串联谐振电容的最优取值C2(opt)、M(opt)、ω0(opt)和RL(opt)。
8.如权利要求7所述的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、保持通过步骤S1得到的参数设计中的串联谐振电感Ls1、发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、串联谐振电容C2、等效负载电阻RL、串联谐振电感等效内阻Rs1、发射线圈等效内阻R1和接收线圈等效内阻R2不变，只改变发射端并联谐振电容Cp1和发射端串联谐振电容Cs1的数值，使LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下，并定义失谐系数α和β如式(4)所示，用以表征LCC-S型无线电能传输系统的失谐程度；
Figure FDA0003128584780000071
其中，Cs1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端串联谐振电容的优化取值，Cp1(Deturned)表示：失谐状态下的发射端并联谐振电容的优化取值；
S22、同样，利用电路互感原理得到，工作在失谐状态下的LCC-S型无线电能传输系统的输入阻抗Zin(Detuned)、电压增益Gv(Detuned)、电流增益Gi(Detuned)、输出功率Po(Detuned)和系统效率η(Detuned)的表达式如式(5)所示，
Figure FDA0003128584780000072
其中，M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，发射线圈与接收线圈间的互感；
多项式A和B如式(6)所示，
Figure FDA0003128584780000073
其中，ω0(opt)＝2πf0(opt)表示：LCC-S型无线电能传输系统的优选谐振角频率，单位为：rad·s-1；f0(opt)表示：LCC-S型无线电能传输系统的优选谐振频率，单位为：s-1；M(Detuned)表示：耦合系数偏离最佳数值k(opt)时，发射线圈与接收线圈间的互感，单位为：H；
S23、当耦合系数出现宽范围变化时，令失谐状态下的电压增益Gv(Detuned)等于标准谐振工况下的电压增益Gv(Tuned)，则得到LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化时的参数优化设计约束条件一，如式(7)所示，
Figure FDA0003128584780000081
由于在失谐状态下，电压增益Gv、输入电压Vi和等效负载电阻RL的数值与标准谐振工况下的数值相比，均未发生改变，则LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的输出功率也将与标准谐振工况下保持一致，实现了LCC-S型无线电能传输系统输出功率的稳定控制。
9.如权利要求8所述的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、计算失谐状态下LCC-S型无线电能传输系统全桥逆变电路的功率开关器件实现零电压开通动作的条件，如式(8)所示，
Figure FDA0003128584780000091
其中，
Figure FDA0003128584780000092
表示：LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的基波阻抗；
Figure FDA0003128584780000093
表示：LCC-S型无线电能传输系统在失谐状态下的高次谐波阻抗；
Figure FDA0003128584780000094
表示：全桥逆变电路输出的方波电压；
Figure FDA0003128584780000095
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的基波成分；
Figure FDA0003128584780000096
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断电流的高次谐波成分；
Figure FDA0003128584780000097
表示：当LCC-S型无线电能传输系统工作在失谐状态下时，全桥逆变功率开关器件关断的总电流；Coss表示：全桥逆变功率开关器件输出的寄生电容值；Vi,max表示：全桥逆变电路直流输入电压的最大值；tD表示：全桥逆变功率开关器件动作时，存在的死区时间；
Figure FDA0003128584780000098
表示：全桥逆变电路的输入端直流电压；t表示：时间；
Figure FDA0003128584780000099
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的基波分量；
Figure FDA00031285847800000910
表示：全桥逆变电路输出端交流方波电压的高次谐波分量；
S32、计算失谐状态下LCC-S型无线电能传输系统全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断动作的条件，如式(9)所示，
Figure FDA0003128584780000101
S33、根据全桥逆变电路应用的功率开关器件类型、全桥逆变电路的工作频率和实际LCC-S型无线电能传输系统运行中的特殊电磁兼容性能需求，对全桥逆变电路的功率器件要实现的软开关动作类型(ZVS或ZCS)进行择优选取，并以相应的功率器件软开关动作实现条件作为耦合系数宽范围变化工况下LCC-S型无线电能传输系统参数优化设计的约束条件二；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电压开通时，所述约束条件二为：公式(8)；
当全桥逆变电路的功率开关器件实现零电流关断时，所述约束条件二为：公式(9)。
10.如权利要求9所述的LCC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、联立由步骤S2得到的参数优化设计约束条件一和步骤S3得到的参数优化设计约束条件二，进行精确地数学求解；
S42、绘制参数优化设计约束条件一随α和β变化的特性曲线，绘制参数优化设计约束条件二随α和β变化的特性曲线，通过图解和迭代的方式确定失谐状态优化设计的最优解；
S43、单独采用步骤S41和步骤S42所述方法中的一种或结合以上两种方法的优势，计算得到耦合系数宽范围变化时对应的失谐系数α和β的值，进而根据失谐系数对发射端串联谐振电容Cs1和发射端并联谐振电容Cp1进行开关切换式电容组并联优化设计或功率开关切换式电容优化设计，实现LCC-S型无线电能传输系统在耦合系数宽范围变化工况下输出电压和输出功率的相对稳定，达到降低LCC-S型无线电能传输系统对耦合系数变化的敏感度，提高LCC-S型无线电能传输系统泛用性的目的。
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