CN114649874A - 基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。首先该系统具有两个LC串联谐振和两个LC并联谐振支路，通过对每个支路元件参数的设计，整个系统可在不同频率点上工作于谐振与失谐状态，其中失谐可分为感性失谐和容性失谐；然后，根据预设的两个谐振频率来设计双频补偿网络的系统参数，使得系统能够在不同的工作频率下呈现不同的SS补偿的谐振状态及功率传输特性；最后，由于方波输入电压包含以开关频率为基频的所有奇次谐波，该系统可以由方波电压的基频和三倍频分量激励，因此系统功率可以叠加两个失谐的SS功率传输特性，实现抵抗耦合变化的功能。该系统无需额外的反馈控制或原副边通信即可提高无线电能传输系统的抵抗耦合变化能力。

Description

基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体为基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术由于其安全可靠，低维护成本的特性受到了越来越多的关注，并且已经广泛应用于可移动设备，电动汽车，植入式医疗设备，水下机器人等领域。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中距离电能传输，具有通用性强、便捷性高等优点。然而，随着发射接收线圈之间的相对位置变化，他们之间的耦合系数会剧烈变化，从而导致传输功率的剧烈波动，随相对位置变化的不稳定的无线电能传输的应用前景是很渺茫的。

因此，本发明提出了一种基于双频失谐的无线电能传输系统，旨在大范围的耦合波动范围内，在不加闭环控制的情况下，实现较为稳定的功率传输。

发明内容

本发明公开了基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。该系统在原边和副边都加入了相同的补偿网络。通过对该补偿网络的设计，能够使整个系统在不同频率的电压激励下，表现出不同的谐振状态，且单对于每一个频率而言，系统可以简化为一个SS补偿的无线电能传输系统。该系统选取占空比为50％的方波电压输入，通过组合SS补偿网络不同谐振状态的功率传输特性，在接收线圈位置偏移的情况下可以实现相对稳定的功率传输。因此，这种新的双频失谐系统对线圈位置偏移引起的自感和互感变化具有良好的鲁棒性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，具体步骤如下：

S1，根据LC-LC拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到双频失谐补偿网络的拓扑结构；

S2，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；

S3，通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性。

作为本发明进一步改进，S1中所述的设计双频失谐补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：

从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压的逆变器，原副边补偿网络，将交流转化为直流的整流电路及负载；

V_in,n，n＝1,3,5…代表n次谐波电压，M代表原副边线圈之间的互感，V_load代表负载电压，原副边补偿网络的结构完全一样，均有一个并联LC再与一个串联LC串联而成，L₁,C₁,L_p,C_p构成了原边的谐振网络，L₂,C₂,L_s,C_s构成了副边的谐振网络，通过参数设计，将整个系统设计为一个双频带通滤波器，即整个系统对于基频与三倍频的输入电压呈低阻，而对于其他频率的输入电压则呈高阻状态；

整个系统在不同频率的激励下，分别呈现出不同的谐振状态。且不同频率的激励分别在低耦合与高耦合情形下分别作为能量传输的主通道。通过不同频率的功率叠加，可以实现在大耦合范围内整个系统的准恒功率输出。

作为本发明进一步改进，S2所述，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计原副边不同频率的失谐率，具体过程如下：

如前所述，系统的原副边都设计为失谐的状态，为了表征失谐的程度，定义失谐率为系统失谐阻抗与线圈感抗的比值：

其中ω_n,α_n,β_n，n＝1,3分别代表方波电压的基频，三倍频角频率，原边电路在基频和三倍频的失谐率以及副边在基频和三倍频的失谐率，失谐率为0代表完全谐振；

假设只考虑一个频率，那么整个系统等效为SS补偿的无线电能传输系统，系统的等效电容值的计算式为：

求解式(2)，不同频率下的原副边等效电容为：

整流器及其后级负载电路等效为一个纯电阻，该电阻表达式为：

作为本发明进一步改进，S3中所述的通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性，具体过程如下：

1)系统数学模型

基于双频失谐无线电能传输系统的等效电路，对于不同频率输入电压，整个系统均简化为SS补偿，为了简化计算，忽略系统元件的寄生参数，系统数学模型为：

其中，V_in,n，n＝1,3是逆变器输出方波电压的基频和三倍频分量，I_pn，I_sn，n＝1,3分别是基频和三倍频电压激励下原副边线圈电流。式(5)描述了此系统在双频激励下的电气特性，原副边线圈电流为：

2)失谐方案

双频失谐方案的设计思路是，所提出的系统在两个频率下处于不同的失谐状态。因此，整个系统可以结合SS补偿的WPT系统的不同失谐状态下的功率传输特性，并针对大范围的耦合变化实现平滑的功率传输。系统由占空比为50％的方波激励，一次和三次谐波电压的均方根(RMS)值定义为：

为了实现开关的零电压切换(ZeroVoltageSwitching)，系统应该设计为感性失谐。然而，考虑到四个失谐率的求解域问题，所提出的系统分别在一次和三次谐波激励下设置为感性失谐和容性失谐。此外，如式(7)所示，基波的功率传输能力比三次谐波强得多。两个频率下的电压增益可计算为：

其中，

G_v,nn＝1,3分别代表基频和三倍频的电压增益。由式(8)可知，若α_n、β_n符号相同，则电压增益大于二者符号相反的情况。这是因为接收端的阻抗映射到发射端之后，其失谐阻抗类型翻转。如果接收端与发射端的失谐阻抗类型一致，就会降低发射端的失谐阻抗，使功率传输更容易。因此，为了使基波和三次谐波输出功率处于同一功率水平，原副边在基频下分别设为感性和容性失谐，在三倍频下均设为容性失谐，如式(9)所示。

α₁＞0,β₁＜0,α₃＜0,β₃＜0 (9)

3)耦合容限分析

系统的耦合变化主要是互感M的变化引起，体现在发射端和接收端的线圈相对位置变化，因此系统的耦合容限可视作系统抗线圈位置偏移的能力，基于式(6)，不同频率的输出功率表达式为：

其中：P_out,n，n＝1,3分别代表系统的基频和三倍频输出功率。为了更加深入地了解耦合系数对系统输出功率的影响，将输出功率对其求导寻找极值点：

k_n，n＝1,3分别代表基频和三倍频的输出功率极值点，由式(11)看出，功率极值点与原副边失谐的程度呈正相关，失谐程度越高，功率极值点k越大，整个系统的输出功率由基频与三倍频的输出功率叠加：

P_out＝P_out，1+P_out，3 (12)。

作为本发明进一步改进，S3中所述的失谐率的设计是整个系统输出功率能否平稳的关键因素，需要满足以下三个条件：

1、合理设置k₁与k₃的值：k₁被设计在强耦合的状态而k₃被设计在弱耦合的状态，即：方波输出的三倍频分量在弱耦合时能够传输能量，而当系统处于强耦合的状态时，基频分量成为能量传输的主通道。在本发明文中，为了基频输出功率呈现更平滑的变化趋势，k₁设置为大于1；而k₃设置为弱耦合情况。总输出功率曲线如图4所示。根据图4，平滑的输出功率耦合范围是从k_min到k_max。为了维持功率传输的平稳性，失谐率的约束条件为：

2、对于基频与三倍频的输出功率需要通过参数设计在同一数量级才能保证系统功率传输的相对稳定性，当系统处于弱耦合的状态时：

P_{out_rated}＝P_out3,k3+P_out1,k3 (14)

P_{out_rated}是系统的额定输出功率，P_out3,k3，P_out1,k3分别是系统三倍频及基频在耦合系数为k₃时的输出功率，而当系统处于强耦合的状态时：

P_{out_rated}＝P_out3,kmax+P_out1,kmax (15)

P_out3,kmax，P_out1,kmax分别是系统三倍频及基频在耦合系数为k_max时的输出功率，k_max属于强耦合的范围；

3、在整个耦合变化范围内，条件2的成立保证了两个耦合端点的输出功率相近，为了减小中间耦合范围内的功率波动，失谐率的设计仍然需要满足式(16)：

其中，ε是趋于0的正数。

本发明提出的基于双频失谐的无线电能传输系统能够减小耦合变化对传输功率的影响，它能提供一个近似恒定的功率传输曲线。该系统在原边和副边采用了相同的补偿网络。这些谐振腔在不同频率的激励下可以表现出不同的特性，系统在工作频率为f₁和f₃时分别等效为SS感性与容性失谐的无线电能传输系统。系统的输入为占空比为50％的方波电压输入，其基频为f₁，且包含f₁的所有奇数倍分量，该系统可以视为一个带通滤波器，除基频与三倍频外的高次谐波被抑制。该系统可以抵抗耦合变化的影响，显著减小输出功率的波动，在大范围耦合变化的情况下提供恒定的输出功率。与其他类型无线电能传输系统相比，该系统具有更紧凑的线圈结构和更高的位置自由度，可以在不使用额外传感器和闭环控制器的情况下实现相对稳定的输出功率。系统的设计简单，易于理解和实现。

附图说明

图1本发明系统的拓扑结构图；

图2本发明的系统等效电路图；

图3本发明基频和三倍频的输出电压柱状对比图；

图4本发明输出功率随耦合系数的计算变化曲线；

图5本发明实施例输出功率随耦合系数变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明所述系统的设计与应用，具体步骤如下；

为了验证所发明提出的基于双频失谐的无线电能传输系统的可行性和有效性，本发明对如图1所示的系统进行仿真设计与验证，以MATLAB Simulink模型作为仿真实施例，并基于仿真和数学分析对结果进行了详细的解释。

在选择f₁和f₃分别为50kHz和150kHz后，不同频率下原副边的失谐率选取为：α₁＝0.8,α₂＝-0.13,β₁＝-1,β₂＝-0.59，满足此四失谐率的仿真元件参数如表一所示：

表一 系统元件参数

A.输出电压FFT分析：

频率选择与失谐设计是本发明所提系统的关键特性之一。本发明设计的工作频率设为f₁，其三倍频率f₃。为了深入了解不同频率下系统的工作特性，利用在MATLABSimulink的“powergui”模块中的FFT分析工具测量所设计系统的输出电压基频与三倍频输出电压的幅值，其结果如图3所示。

如图3所示，该系统模型处于弱耦合的状态时，系统由基频与三倍频同时传输功率。根据第二节的分析，该系统模型可以等效为不同频率的SS补偿电路，将三倍频的输出电压极值设置在弱耦合的状态。而当系统处于强耦合的状态，三倍频的输出电压逐渐降低而基频输出电压逐渐增大并且成为系统输出电压的主要成分。基频的输出电压极值点设置在强耦合的状态。

输出电压的FFT结果证明了所提出的双频失谐系统模型同时具有SS补偿网络感性失谐与容性失谐的功率传输特性，保证了系统在两种不同频率驱动下的可靠运行。

B.功率传输特性：

由于系统可以分别在两种不同的频率特性下工作，因此SS补偿网络不同谐振状态的功率传输特性来提高耦合变化时的系统性能。为了验证大范围准恒功率传输的可行性，利用MATLABSimulink对系统模型的功率传输特性进行了测量与记录。

在该系统模型中，选取50k的方波电压作为输入，使用开环控制器，输入电压源的振幅预先按照表一设定。系统的互感用耦合系数k表示，其范围从0到1，实施例的输出功率及AC-AC效率测量结果如图5所示。

如图5所示，当耦合系数k从0.32变化到0.68时，该系统提供了相对恒定的功率，最大输出功率波动不超过5％。系统的输出功率维持在130W。这是因为三倍频分量的功率极值设计在弱耦合段，在图5所示的耦合段，三倍频的输出功率逐渐降低。而基频的输出功率极值点设计在强耦合处，在图5所示的耦合段，基频的输出功率逐渐上升，并且基本能够补偿三倍频输出功率减少的部分，从而实现大范围耦合变化的准恒功率输出。图5同时表明该系统的效率随着耦合系数k的增加而增加。在相对恒定的输出功率区域最大AC-AC效率超过89％。

在实施例中，耦合系数k的变化是发射线圈与接收线圈的相对位置变化引起的。通过双频与失谐率的设计，整个系统在不同频率的激励下呈现不同的谐振状态，与传统的补偿拓扑相比，该系统对耦合变化具有更好的鲁棒性。本发明所示的基于双频失谐的无线电能传输系统将SS补偿网络的不同谐振状态的功率传输特性在不同耦合情况下相结合，且仅需要一组线圈。与其他类型的无线电能传输系统相比，该系统不但具有更紧凑的线圈结构和更高的空间自由度，而且可以实现更大耦合系数变化范围下更稳定的功率传输。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：具体步骤如下：

S1，根据LC-LC拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到双频失谐补偿网络的拓扑结构；

S2，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；

S3，通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性。

2.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：S1中所述的设计双频失谐补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：

从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压的逆变器，原副边补偿网络，将交流转化为直流的整流电路及负载；

V_in,n，n＝1,3,5…代表n次谐波电压，M代表原副边线圈之间的互感，V_load代表负载电压，原副边补偿网络的结构完全一样，均有一个并联LC再与一个串联LC串联而成，L₁,C₁,L_p,C_p构成了原边的谐振网络，L₂,C₂,L_s,C_s构成了副边的谐振网络，通过参数设计，将整个系统设计为一个双频带通滤波器，即整个系统对于基频与三倍频的输入电压呈低阻，而对于其他频率的输入电压则呈高阻状态。

3.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：S2所述，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计原副边不同频率的失谐率，具体过程如下：

如前所述，系统的原副边都设计为失谐的状态，为了表征失谐的程度，定义失谐率为系统失谐阻抗与线圈感抗的比值：

其中ω_n，n＝1,3分别代表方波电压的基频，三倍频分量的角频率，α_n,β_n，n＝1,3分别代表原边电路在基频和三倍频的失谐率以及副边在基频和三倍频的失谐率，失谐率为0代表完全谐振；

假设只考虑一个频率，那么整个系统等效为SS补偿的无线电能传输系统，系统的等效电容值的计算式为：

其中，j是虚数单位，j²＝-1。求解式(2)，不同频率下的SS原副边等效电容为：

其中，C_ep,n C_es,n n＝1,3分别代表基频和三倍频下原副边的等效SS补偿电容。整流器及其后级负载电路等效为一个纯电阻，该电阻表达式为：

4.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于，S3中所述的通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性，具体过程如下：

1)系统数学模型

基于双频失谐无线电能传输系统的等效电路，对于不同频率输入电压，整个系统均简化为SS补偿，为了简化计算，忽略系统元件的寄生参数，系统数学模型为：

其中，V_in,n，n＝1,3是逆变器输出方波电压的基频和三倍频分量，I_pn，I_sn，n＝1,3分别是基频和三倍频电压激励下原副边线圈电流。式(5)描述了此系统在双频激励下的电气特性，原副边线圈电流为：

2)失谐方案

双频失谐方案的设计思路是，所提出的系统在两个频率下处于不同的失谐状态。因此，整个系统可以结合SS补偿的WPT系统的不同失谐状态下的功率传输特性，并针对大范围的耦合变化实现平滑的功率传输。系统由占空比为50％的方波激励，一次和三次谐波电压的均方根(RMS)值定义为：

为了实现开关的零电压切换(Zero Voltage Switching)，系统应该设计为感性失谐。然而，考虑到四个失谐率的求解域问题，所提出的系统分别在一次和三次谐波激励下设置为感性失谐和容性失谐。此外，如式(7)所示，基波的功率传输能力比三次谐波强得多。两个频率下的电压增益可计算为：

其中，

G_v,n n＝1,3分别代表基频和三倍频的电压增益。由式(8)可知，若α_n、β_n符号相同，则电压增益大于二者符号相反的情况。这是因为接收端的阻抗映射到发射端之后，其失谐阻抗类型翻转。如果接收端与发射端的失谐阻抗类型一致，就会降低发射端的失谐阻抗，使功率传输更容易。因此，为了使基波和三次谐波输出功率处于同一功率水平，原副边在基频下分别设为感性和容性失谐，在三倍频下均设为容性失谐，如式(9)所示。

α₁＞0,β₁＜0,α₃＜0,β₃＜0 (9)

3)耦合容限分析

系统的耦合变化主要是互感M的变化引起，体现在发射端和接收端的线圈相对位置变化，因此系统的耦合容限可视作系统抗线圈位置偏移的能力，基于式(6)，不同频率的输出功率表达式为：

其中：P_out,n，n＝1,3分别代表系统的基频和三倍频输出功率。为了更加深入地了解耦合系数对系统输出功率的影响，将输出功率对其求导寻找极值点：

k_n，n＝1,3分别代表基频和三倍频的输出功率极值点，由式(11)看出，功率极值点与原副边失谐的程度呈正相关，失谐程度越高，功率极值点k越大，整个系统的输出功率由基频与三倍频的输出功率叠加：

P_out＝P_out，1+P_out，3 (12)。

5.根据权利要求4所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于，S3中所述的失谐率的设计是整个系统输出功率能否平稳的关键因素，需要满足以下三个条件：

1、合理设置k₁与k₃的值：k₁被设计在强耦合的状态而k₃被设计在弱耦合的状态，即：方波输出的三倍频分量在弱耦合时能够传输能量，而当系统处于强耦合的状态时，基频分量成为能量传输的主通道。在本发明文中，为了基频输出功率呈现更平滑的变化趋势，k₁设置为大于1；而k₃设置为弱耦合情况。总输出功率曲线如图4所示。根据图4，平滑的输出功率耦合范围是从k_min到k_max。为了维持功率传输的平稳性，失谐率的约束条件为：

2、对于基频与三倍频的输出功率需要通过参数设计在同一数量级才能保证系统功率传输的相对稳定性，当系统处于弱耦合的状态时：

P_{out_rated}＝P_out3,k3+P_out1,k3 (14)

P_{out_rated}是系统的额定输出功率，P_out3,k3，P_out1,k3分别是系统三倍频及基频在耦合系数为k₃时的输出功率，而当系统处于强耦合的状态时：

P_{out_rated}＝P_out3,kmax+P_out1,kmax (15)

P_out3,kmax，P_out1,kmax分别是系统三倍频及基频在耦合系数为k_max时的输出功率，k_max属于强耦合的范围；

3、在整个耦合变化范围内，条件2的成立保证了两个耦合端点的输出功率相近，为了减小中间耦合范围内的功率波动，失谐率的设计仍然需要满足式(16)：

其中，ε是趋于0的正数。

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