CN113809836B - 一种lc-lclc型cpt系统及极板应力优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LC‑LCLC型CPT系统及极板应力优化方法，其中包括一种LC‑LCLC型CPT系统，通过在LC‑LCLC型CPT系统上设置电感和电容参数，实现了该系统与负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性；还包括CPT系统的极板应力优化方法，在实现该系统与负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性的参数条件下优化了耦合极板的电压应力，拓宽了连续工作模式负载范围，采用较少的器件实现了上述输出输入特性，减小了系统体积，提高了系统可靠性。

Description

一种LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法

技术领域

本发明涉及CPT系统领域，特别涉及一种LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法。

背景技术

CPT系统即电场耦合式无线电能传输系统是通过发射极板与接收极板间形成等效电容，利用高频电场产生位移电流来进行能量传输的系统，具有电磁辐射低，成本低，可穿透金属障碍物等优点，在生产生活中具有十分广泛的应用。

为了提高CPT系统的传输距离和功率等级，以及满足电池充电等需要恒压或恒流输出的应用场合，需要通过补偿网络对等效互容在pF级的耦合极板进行补偿，目前主要的补偿网络有双边LC、双边LCL、双边LCLC型补偿网络等。

设置双边LCLC补偿网络的如公开号为CN109525046B的中国专利公开的双边LCLC型CPT系统工作频率点选择及极板电压优化方法，包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LCLC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LCLC补偿网络、全桥整流滤波电路。

该发明推导出双边LCLC型CPT系统能够实现恒流输出的多个频率点，以减小系统体积为目的选择最优工作频率点，提高了系统输出增益，拓宽了系统连续工作模式下的负载范围；当系统工作在最优频率点时，该发明通过设置补偿网络的参数实现了耦合极板电压应力的降低、电路近似零无功环流和开关器件的软开关。

上述专利申请提供的补偿网络实现输入零相角的拓扑以恒流输出为主，而对于实现恒压输出特性的电路目前只能达到近似输入阻抗零相角，且需要前提条件C₁C₂＞＞C_M ²。

对于耦合极板电压应力优化方面，双边LC电路的应力非常大，双边LCLC电路有可能实现低电压应力，但是其器件数量非常多，结构复杂体积大，增加了分析难度。

发明内容

本申请针对目前补偿网络只能同时恒压输出特性和近似输入零相角的问题，设计了可以实现恒压输出特性和与负载无关的理想输入阻抗零相角的LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法，拓宽了连续工作模式负载范围，同时比较双边LC电路具有耦合极板电压应力小的优点，比较双边LCLC电路具有结构简单、体积小的优点。

一种LC-LCLC型CPT系统，包括依次电性连接的高频全桥逆变电路，原边LC补偿网络、耦合电容极板、副边LCLC补偿网络、全桥整流滤波电路；

所述原边LC补偿网络的原边第一补偿电感与原边第一补偿电容电性连接于高频全桥逆变电路不同的桥臂中点上；

所述副边LCLC补偿网络的副边第二补偿电感与副边第二补偿电容电性连接于全桥整流滤波电路的不同的桥臂中点上；

所述耦合电容极板为包括两块发射极板和两块接收极板的四极板结构；

所述CPT系统的参数设置如下：

其中，L₁为原边第一补偿电感，L₂为副边第一补偿电感，L_f2为副边第二补偿电感，C_f2为副边第二补偿电容，ω为工作频率、V_dc为输入直流电压、V_out为输出直流电压、C_M为耦合电容极板互容值，C₁为原边等效自容值、C₂为副边等效自容值。

具体的，LC-LCLC型CPT系统包括高频全桥逆变电路、包含原边第一补偿电感L₁、原边第一补偿电容C_ex1的原边LC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容极板，包含副边第一补偿电感L₂、副边第二补偿电感L_f2和副边第一补偿电容C_ex2、副边第二补偿电容C_f2的副边LCLC补偿网络，全桥整流滤波电路；

原边第一补偿电感L₁的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边第一补偿电感L₁的另一端、耦合电容板的一块发射极板均与原边第一补偿电容C_ex1的一极相连接，原边第一补偿电容C_ex1的另一极、耦合电容板的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接，副边第一补偿电容C_ex2的另一极、副边第一补偿电感L₂的一端均与耦合电容板的一块接收极板相连接，副边第一补偿电感L₂的另一极、副边第二补偿电感L_f2的一端均与副边第二补偿电容C_f2的一极相连接，副边第二补偿电感L_f2的另一端与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，副边第一补偿电容C_ex2的另一极、副边第二补偿电容C_f2的另一极、耦合电容板的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路向输出端皆有的负载供电。

此外，在对参数进行设置时，预先给定工作频率ω、输入直流电压V_dc、输出直流电压V_out、耦合电容极板互容值C_M，原边等效自容值C₁、副边等效自容值C₂；通过给定的参数计算L₁、L₂、L_f2、C_f2；在前述的参数条件下所述CPT系统满足恒压输出和与负载无关的ZPA(ZPA：理想输入阻抗零相角)。

所述原边等效自容C₁和副边等效自容C₂的计算公式如下：

C₁＝C_ex1+C_p (5)

C₂＝C_ex2+C_s (6)

其中，C_p为耦合电容板的原边自容，C_s为耦合电容板的副边自容，C_ex1为原边第一补偿电容，C_ex2为副边第一补偿电容。

所述原边LC补偿网络和副边LCLC补偿网络的线圈均为低内阻、高Q值。

在满足输入输出特性的CPT系统中可通过寻找合适的原边等效自容C₁和副边等效自容C₂对各极板电压应力进行优化，所述优化方法包括如下步骤：

S1引入原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k；利用α、k以及V_dc、ω、C_M、功率P联立得出原边相邻极板电压应力V_P1、副边相邻极板电压应力V_P2的表达式，并根据V_CM与V_P1、V_P2之间的关系得到相对耦合极板电压应力V_CM的表达式；

S2得出在原副边相邻极板应力相等情况下的α的表达式并将其代入到V_P1或V_P2中得出V_P，此时V_P＝V_P1＝V_P2；将α代入到V_CM中得出此时V_CM的表达式；因此V_P、V_CM的表达式中仅有k一个变量；

S3给出确定的V_CM，求出对应的k值，利用该k值计算得到优化后的V_P；或给定V_P求出对应的k值，利用该k值计算得到优化后的V_CM；

S4根据步骤S2和步骤S3中得到的α、k得出在原副边相邻极板的应力相等的条件下的C₁、C₂；

S5将上述C₁、C₂和C_f2代入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)中得到CPT系统的剩余的补偿器件参数L₁、L₂、L_f2、C_ex1和C_ex2。

所述原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k的表达式如下：

所述V_P1、V_P2的表达式如下：

由可得，V_CM的表达式如下：

当原副边两侧相邻极板电压应力相等时，α的表达式如下：

在此条件下，V_P，V_CM的表达式如下：

由于相对耦合极板应力|V_CM|和相邻极板应力|V_P|的趋势相反，因此可根据实际应用需求，通过给定的相对耦合极板电压应力求出对应的k值，进而得到优化后的同侧相邻极板电压应力或反之根据同侧相邻极板电压应力得到优化后的相对耦合极板电压应力。

即，给定CPT系统直流输入电压V_dc和额定输出功率P、确定的耦合电容极板的等效互容值C_M，根据相对耦合极板电压应力限制最大值，可以优化同侧相邻极板(即原边第一补偿电容C_ex1与副边第一补偿电容C_ex2)的电压应力；或者根据同侧相邻极板的限制最大值优化相对耦合极板电压应力。

所述C₁、C₂的计算公式如下：

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明设计了可以同时实现恒压输出特性和与负载无关的输入阻抗零相角特性的LC-LCLC型CPT系统，在给定设置的参数条件下实现了与CPT系统负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性。

(2)针对耦合极板应力中的同侧相邻极板电压应力以及相对耦合极板电压应力进行了参数优化设计，实现了拓宽连续工作模式下负载范围，在较少器件数量下与双边LCLC电路接近的应力水平，减少系统体积，提高传输功率的目的。

附图说明

图1为LC-LCLC型电容耦合式无线电能传输系统的拓扑结构图。

图2为输出电压V_out等于112V，负载电阻为40Ω时的桥臂电压V_in、输入电流I_in和输出电压V_out仿真波形图片。

图3为输出电压V_out等于112V，负载电阻为80Ω时的桥臂电压V_in、输入电流I_in和输出电压V_out仿真波形图片。

图4为在负载40欧姆时的原副边相邻极板电压V_P1和V_P2，以及一对发射接收极板间的电压V_CM/2的仿真波形图片。

图5为验证系统可行性的负载40欧姆时的桥臂电压V_in、输入电流I_in和输出电压V_out实验波形图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，LC-LCLC型CPT系统包括：高频全桥逆变电路10、包含原边第一补偿电感L₁、原边第一补偿电容C_ex1的原边LC补偿网络20、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容极板30，包含副边第一补偿电感L₂、副边第二补偿电感L_f2和副边第一补偿电容C_ex2、副边第二补偿电容C_f2的副边LCLC补偿网络40，全桥整流滤波电路50；

原边第一补偿电感L₁的一端与高频全桥逆变电路10的一桥臂中点连接，原边第一补偿电感L₁的另一端、耦合电容板30的一块发射极板均与原边第一补偿电容C_ex1的一极相连接，原边第一补偿电容C_ex1的另一极、耦合电容板30的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路10的另一桥臂中点相连接，副边第一补偿电容C_ex2的另一极、副边第一补偿电感L₂的一端均与耦合电容板30的一块接收极板相连接，副边第一补偿电感L₂的另一极、副边第二补偿电感L_f2的一端均与副边第二补偿电容C_f2的一极相连接，副边第二补偿电感L_f2的另一端与全桥整流滤波电路50的一桥臂中点连接，副边第一补偿电容C_ex2的另一极、副边第二补偿电容C_f2的另一极、耦合电容板30的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路50的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路50向输出端皆有的负载供电。

具体的CPT系统的补偿网络参数设置和调整方法如下：

给定工作频率ω、输入直流电压V_dc、输出直流电压V_out、耦合电容极板互容值C_M，原边等效自容值C₁、副边等效自容值C₂，则所述CPT系统满足恒压输出和与负载无关的ZPA的条件如下：

其中，L₁为原边第一补偿电感，L₂为副边第一补偿电感，L_f2为副边第二补偿电感，C_f2为副边第二补偿电容；

原边等效自容值C₁、副边等效自容值C₂的计算公式如下：

C₁＝C_ex1+C_p (5)

C₂＝C_ex2+C_s (6)

其中，C_p为耦合电容板的原边自容，C_s为耦合电容板的副边自容，C_ex1为原边第一补偿电容，C_ex2为副边第一补偿电容。

具体的极板应力优化方法如下：

选定工作角频率ω以及输入电压V_dc和输出电压V_out，耦合极板参数C_M，功率P，并引入原副边对称系数α和耦合器等效耦合系数k，得出原边相邻极板电压应力V_P1、副边相邻极板电压应力V_P2，相对耦合极板电压应力V_CM的表达式，具体如下：

定义

则

求解原副边两侧相邻极板电压应力相等的条件简化分析得出α如下：

在此条件下两侧电压应力相等，即V_P1＝V_P2＝V_P，且V_P为变量k的函数，具体表达如下：

此时耦合极板电压应力V_CM也为变量k的函数，具体表达如下：

根据式(12)中的α和结合式(13)、式(14)选择的k，可以求出所需要的原边等效自容值C₁、副边等效自容值C₂，具体计算公式如下

将计算出的C₁、C₂的值代入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)中得到CPT系统的剩余的补偿器件参数L₁、L₂、L_f2、C_f2、C_ex1和C_ex2。

根据计算得出的数值设置参数即可实现与CPT系统负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性，并能拓宽连续工作模式下负载范围、减少系统体积、提高传输功率。

图2和图3展示了负载电阻R_L分别为40Ω和80Ω时的桥臂电压V_in、输入电流I_in和输出电压V_out的仿真波形，验证了CPT系统的可行性，即系统可以输出并灵活调节与负载无关的恒压输出值与ZPA和开关器件的软开关。从图中可以看出，当负载电阻从40Ω变到80Ω时，输出电压保持在112V，实现恒压；输入电流I_in和桥臂电压V_in同相，有效减少无功能量。其中系统参数设置如下：耦合电容板互容值15pF，电容板原副边自容C_P＝C_S＝23.9pF，系统直流输入电压V_dc＝150V,开关频率为1MHz，设定的输出电压增益为0.75即输出电压V_out＝112V，原边等效自容C₁＝186.23pF，副边等效自容C₂＝122.7pF，原边第一补偿电感L₁＝126.6uH，副边第一补偿电感L₂＝195.8uH，副边第二补偿电容C_f2＝2.445nF，副边第二补偿电感L_f2＝10.34uH。

图4验证了极板应力优化方法的可行性,在给定额定功率和极板参数时，可以设计出较低的相对耦合极板电压应力和同侧相邻极板电压应力，图中展示了原边相邻极板电压V_P1(图4中虚线所表示的波形)、副边相邻极板电压V_P2(图4中与虚线在同一图幅中的实线所表示的波形)以及一对发射接收极板间的电压V_CM/2的波形。由图4可知V_P1、V_P2的幅值相同较低且相对耦合极板的电压应力也比较低。

图5展示了负载电阻R_L为40Ω时的桥臂电压V_in、输入电流I_in和输出电压V_out的实验波形，验证了上述参数设置方法的正确性。从图中可以看出在150V的输入电压下输出电压为109V，输入电压电流同相。考虑实际损耗的影响，实验结果与仿真结果基本一致。

Claims (6)

1.一种LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，包括依次电性连接的高频全桥逆变电路、原边LC补偿网络、耦合电容极板、副边LCLC补偿网络、全桥整流滤波电路；

所述原边LC补偿网络的原边第一补偿电感与原边第一补偿电容电性连接于高频全桥逆变电路不同的桥臂中点上；

所述副边LCLC补偿网络的副边第二补偿电感与副边第二补偿电容电性连接于全桥整流滤波电路的不同的桥臂中点上；

所述耦合电容极板为包括两块发射极板和两块接收极板的四极板结构；

所述CPT系统的参数设置如下：

其中，L₁为原边第一补偿电感，L₂为副边第一补偿电感，L_f2为副边第二补偿电感，C_f2为副边第二补偿电容，ω为工作频率、V_dc为输入直流电压、V_out为输出直流电压、C_M为耦合电容极板互容值，C₁为原边等效自容值、C₂为副边等效自容值；

所述原边等效自容C₁和副边等效自容C₂的计算公式如下：

C₁＝C_ex1+C_p (5)

C₂＝C_ex2+C_s (6)

其中，C_p为耦合电容板的原边自容，C_s为耦合电容板的副边自容，C_ex1为原边第一补偿电容，C_ex2为副边第一补偿电容；

通过寻找合适的原边等效自容值C₁和副边等效自容值C₂对所述的极板的应力进行优化，具体包括如下步骤：

S1引入原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k；利用α、k以及给定的V_dc、ω、C_M、额定功率P联立得出原边相邻极板电压应力V_P1、副边相邻极板电压应力V_P2的表达式，由于据此得出相对耦合极板电压应力V_CM的表达式；

S2得出在原副边相邻极板应力相等情况下的α的表达式并将其代入到V_P1或V_P2中得出V_P，此时V_P＝V_P1＝V_P2；将α代入到V_CM中得出此时V_CM的表达式；因此V_P、V_CM的表达式中仅有k一个变量；

S3给出确定的V_CM，求出对应的k值，利用该k值计算得到优化后的V_P；或给定V_P求出对应的k值，利用该k值计算得到优化后的V_CM；

S4根据步骤S2和步骤S3中得到的α、k得出在原副边相邻极板的应力相等的条件下的C₁、C₂；

S5将上述C₁、C₂代入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)中得到CPT系统的剩余的补偿器件参数L₁、L₂、L_f2、C_f2、C_ex1和C_ex2。

2.根据权利要求1所述的LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，所述原边LC补偿网络和副边LCLC补偿网络均采用低内阻、高Q值的线圈。

3.根据权利要求1所述的LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，引入的原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k的表达式如下：

4.根据权利要求1所述的LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，所述V_P1、V_P2的表达式如下：

由可得，V_CM的表达式如下：

5.根据权利要求4所述的LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，当原副边两侧相邻极板电压应力相等时，α的表达式如下：

在此条件下，V_P，V_CM的表达式如下：

由式(13)、式(14)可知，相对耦合极板应力|V_CM|和相邻极板应力|V_P|的趋势相反。

6.根据权利要求3所述的LC-LCLC型CPT系统，其特征在于，所述C₁、C₂的计算公式如下：