CN113991886B - 电动汽车无线充电耦合线圈双边lcc拓扑网络参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，确定无线充电耦合线圈谐振频率f；设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β；在满足第一、第二约束条件的情况下，选择若干组α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容，分别计算对应的功率传输效率，选择功率传输效率最高时对应的一组参数作为双边LCC拓扑网络参数。该方法根据整个系统效率随线圈自感与补偿电感之间比例系数的变化规律，确定整个补偿网络的参数值，对双边LCC拓扑网络参数设计进行优化，实现电动汽车无线充电系统的高效率、高密度传输。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法。
背景技术
无线电能传输技术主要是利用机械波、电场或磁场等中间介质来传输电能，供电系统与充电负载无需通过金属导线连接。其中磁耦合谐振式无线能量传输技术采用交变磁场作为空间能量传递的媒介，能量传输方式具有良好的穿透性、无严格的方向性，能同时给有效区域内多个相近谐振频率的接收端供电，而其他频率不匹配的物体几乎不受影响，因此具有传输距离较远、效率高、功率密度大等诸多优点，已经成为了当今无线输电领域的研究热点。
耦合机构的补偿电路主要用于实现发射端和接受端线圈的频率补偿，保证谐振频率接近，提升系统性能。不同类型的补偿电容或补偿电感电压电流应力存在很大差异，因此补偿电路的拓扑选择是该环节的设计重点。
LCC补偿型无线充电系统电路要优于SS、SP、PS和PP等四种基本补偿拓扑。双边LCC拓扑虽然补偿元件较多，但补偿元件应力相对较小，且其传输效率较高，具有线圈恒流、输出恒流等特性，其对参数敏感程度相对较低，具有较高的功率传输能力、较好的抗偏移特性。双边LCC拓扑由于匹配自身电感补偿电容的加入，自感与谐振补偿电感并无直接联系，增加补偿拓扑参数配置灵活性。因此，中小功率等级无线充电系统的补偿网络拓扑选取双边LCC拓扑。
目前，较多人研究双边LCC拓扑补偿网络中谐振电感和谐振电容的选择以及主要器件的参数选择影响，但并未考虑双边LCC拓扑补偿网络的参数设计问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，实现电动汽车无线充电系统的高效率、高密度传输。
为达到上述目的，本发明提供了一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，包括：
确定无线充电耦合线圈谐振频率f，确定无线充电耦合线圈原、副边线圈自感；
设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β；
构建第一约束条件：加入原边串联补偿电感、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、副边串联补偿电感、原边并联补偿电容、副边串联补偿电容后无线充电耦合线圈处于谐振工作状态；
构建第二约束条件：α、β的设置，极限偏移情况下的满足传输功率要求；
在满足第一、第二约束条件的情况下，选择若干组α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容，分别计算对应的功率传输效率，选择功率传输效率最高时对应的α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容作为双边LCC拓扑网络参数。
进一步地，所述第一约束条件为：
其中ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，Lp和Ls为无线充电耦合线圈原、副边线圈自感，Cps为原边串联补偿电容，Css为副边串联补偿电容，Lrp为原边串联补偿电感，Lrs为副边串联补偿电感，Lrp＝α·Lp，Lrs＝β·Ls。CP为原边并联补偿电容，Cs为副边并联补偿电容。
进一步地，所述第二约束条件为：
其中Po为传输功率，ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，βp和βs分别为原、副边H桥的移项角，k充电耦合线圈原、副边线圈耦合系数，Vdp、Vds分别为高频逆变电源输入电压及副边整流输出电压。
进一步地，极限偏移情况下，即k最小的情况下，传输功率Po满足最输功率阈值要求。
进一步地，功率传输效率为：
P1为地端全桥通态损耗、P2为车端全桥通态损耗、P3为电容损耗、P4为辅电损耗、P5为其他损耗。
进一步地，无线充电耦合线圈谐振频率f的取值范围为81.38kHz-90kHz。
进一步地，无线充电耦合线圈谐振频率f的取值为85kHz。
进一步地，α、β的取值范围均为1～5。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，根据整个系统效率随线圈自感与补偿电感之间比例系数的变化规律，确定整个补偿网络的参数值，对双边LCC拓扑网络参数设计进行优化，实现电动汽车无线充电系统的高效率、高密度传输。
(2)本发明构建谐振约束条件以及抗偏移约束条件，从功率输出的角度进行优化，从而保证电动汽车无线充电系统具有较高的功率传输能力，较高传输效率，较好的抗偏移。
附图说明
图1是本发明的双边LCC补偿网络主电路拓扑示意图；
图2是本发明的双边LCC补偿网络基波等效电路；
图3是本发明的双边LCC拓扑网络参数设计方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、2所示，双边LCC拓扑网络首先确定原副边基础电路，包括高频逆变电源、原边整流H桥、原边电感、副边电感、副边整流H桥。
在基础电路的基础上，增加了原/副边串联补偿电感、原/副边并联补偿电容、原/副边串联补偿电容，需要确定参数原/副边串联补偿电感、原/副边并联补偿电容、原/副边串联补偿电容的相关参数。
图1、2中，下标的定义：第一个p是primary，原边。第一个s是secondary，副边。第二个p是parallel，并联。第二个s是series，串联。即Lp为原边线圈自感，Ls为副边边线圈自感，Cps为原边串联补偿电容，Css为副边串联补偿电容，Lrp为原边串联补偿电感，Lrs为副边串联补偿电感，CP为原边并联补偿电容，Cs为副边并联补偿电容。S1-S4为四个SIC MOSFET构成H桥；S5-S8是副边四个SIC MOSFET构成H桥。Udp为高频逆变电源输入电压，Uds为副边整流输出电压，u1、u2为双边LCC补偿网络输入和输出电压，其中U1、U2分别为u1、u2的基波分量的有效值；M为线圈之间的互感，RL为接收端的直流等效负载，RE为接收端交流等效负载。设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β。
耦合线圈处于谐振工作状态，使系统参数配置如下：
耦合线圈的传输功率其传输功率为：
其中βp和βs分别为原副边H桥的移项角。双边LCC拓扑补偿电感感值小于原副边线圈感值，更小的电感值意味着更小的体积和重量，因此，采用双边LCC拓扑补偿网络有着更高的功率密度。在极限偏移情况下，耦合机构最大工作气隙，最大偏移时对应最小传输功率。也就是充电耦合线圈原、副边线圈耦合系数k最小的情况下，对应的最小传输功率应当满足传输功率的要求，不低于最低传输功率。
假设地端全桥通态损耗为P1、车端全桥通态损耗P2、电容损耗P3、辅电损耗P4、其他损耗为P5。
则系统效率为：
根据整个系统效率随电感比值系数的变化规律，确定最大效率点对应的比值系数，进而确定整个补偿网络的参数值，实现对系统耦合机构拓扑补偿网络的参数优化。从而保证电动汽车无线充电系统具有较高的功率传输能力，较高传输效率，较好的抗偏移。
结合图3，电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定无线充电耦合线圈谐振频率f，进而确定无线充电耦合线圈原、副边线圈自感。
(2)设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β。
(3)构建第一约束条件：加入原边串联补偿电感Lrp、原边串联补偿电容Cps、原边并联补偿电容CP、副边串联补偿电感Lrs、副边并联补偿电容Css、副边并联补偿电容Cs后无线充电耦合线圈处于谐振工作状态；
所述第一约束条件为：
其中ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，Lp和Ls为无线充电耦合线圈原、副边线圈自感，Cps为原边串联补偿电容，Css为副边串联补偿电容，Lrp为原边串联补偿电感，Lrs为副边串联补偿电感，Lrp＝α·Lp，Lrs＝β·Ls。CP为原边并联补偿电容，Cs为副边并联补偿电容。
(4)构建第二约束条件：α、β的设置，极限偏移情况下的满足传输功率要求。
所述第二约束条件为：
其中Po为传输功率，ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，βp和βs分别为原、副边H桥的移项角，k充电耦合线圈原、副边线圈耦合系数，Vdp、Vds分别为高频逆变电源输入电压及副边整流输出电压。
(5)在满足第一、第二约束条件的情况下，选择若干组α、β、原边串联补偿电容Cps、副边串联补偿电容Css、原边并联补偿电容CP、副边并联补偿电容Cs分别计算对应的功率传输效率，选择功率传输效率最高时对应的α、β、原边串联补偿电容Cps、副边串联补偿电容Css、原边并联补偿电容CP、副边并联补偿电容Cs作为双边LCC拓扑网络参数。
计算应用该组α、β、原边串联补偿电容Cps、副边串联补偿电容Css、原边并联补偿电容CP、副边并联补偿电容Cs参数后，系统的传输功率Po、地端全桥通态损耗为P1、车端全桥通态损耗P2、电容损耗P3、辅电损耗P4、其他损耗为P5。
则功率传输效率为：
综上所述，本发明涉及一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，确定无线充电耦合线圈谐振频率f；设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β；在满足第一、第二约束条件的情况下，选择若干组α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容，分别计算对应的功率传输效率，选择功率传输效率最高时对应的一组参数作为双边LCC拓扑网络参数。该方法根据整个系统效率随线圈自感与补偿电感之间比例系数的变化规律，确定整个补偿网络的参数值，对双边LCC拓扑网络参数设计进行优化，实现电动汽车无线充电系统的高效率、高密度传输。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，包括：
确定无线充电耦合线圈谐振频率f，确定无线充电耦合线圈原、副边线圈自感；
设定原边线圈自感与原边串联补偿电感的比值为α，副边线圈自感与副边串联补偿电感的比值为β；
构建第一约束条件：加入原边串联补偿电感、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、副边串联补偿电感、副边并联补偿电容和副边串联补偿电容后无线充电耦合线圈处于谐振工作状态；
构建第二约束条件：α、β的设置，极限偏移情况下的满足传输功率要求；
在满足第一、第二约束条件的情况下，选择若干组α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容，分别计算对应的功率传输效率，选择功率传输效率最高时对应的α、β、原/副边并联补偿电容和原/副边串联补偿电容作为双边LCC拓扑网络参数。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，所述第一约束条件为：
其中ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，Lp和Ls为无线充电耦合线圈原、副边线圈自感，Cps为原边串联补偿电容，Css为副边串联补偿电容，Lrp为原边串联补偿电感，Lrs为副边串联补偿电感，Lrp＝α·Lp，Lrs＝β·Ls，CP为原边并联补偿电容，Cs为副边并联补偿电容。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，所述第二约束条件为：
其中Po为传输功率，ω为无线充电耦合线圈谐振频率角频率，为2πf，βp和βs分别为原、副边H桥的移项角，k充电耦合线圈原、副边线圈耦合系数，Vdp、Vds分别为高频逆变电源输入电压及副边整流输出电压。
4.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，极限偏移情况下，即k最小的情况下，传输功率Po满足最输功率阈值要求。
5.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，功率传输效率为：
P1为地端全桥通态损耗、P2为车端全桥通态损耗、P3为电容损耗、P4为辅电损耗、P5为其他损耗。
6.根据权利要求1或2所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，无线充电耦合线圈谐振频率f的取值范围为81.38kHz-90kHz。
7.根据权利要求6所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，无线充电耦合线圈谐振频率f的取值为85kHz。
8.根据权利要求1或2所述的电动汽车无线充电耦合线圈双边LCC拓扑网络参数设计方法，其特征在于，α、β的取值范围均为1～5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |