CN114844229B - 一种具备恒流输出功能的wpt系统及参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备恒流输出功能的WPT系统及参数设计方法，包括直流电源U_D，高频逆变器H，初级串联补偿电感L₁，初级并联补偿电容C₁，初级串联补偿电容C₂，能量发射线圈L₂，能量接收线圈L₃，次级串联补偿电容C₃，整流器Q，滤波电容C_F和电池负载R_B。本发明电路结构简单，成本低，能够在固定频率下通过系统本身拓扑结构实现负载无关的恒流输出，无需复杂控制技术，且系统可在全负载下实现近零相位角和零电压开关运行，确保系统运行的高效性，电路拓扑在系统恒流输出时，逆变器输出电压和电流基本同相位，可以让逆变器几乎不注入无功功率，故系统损耗较小，并且对逆变器的容量要求降低。

Description

一种具备恒流输出功能的WPT系统及参数设计方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，涉及一种具备恒流输出功能的WPT系统及参数设计方法。

背景技术

感应式无线充电技术具有灵活、可靠、安全等优点，充电过程无需人工干预，是一种通过无导线非接触磁耦合方式将电能输送到负载中的技术，避免了由于接触造成的接触火花以及漏电等问题。近几十年来一直受到工业界和学术界的广泛关注，并已广泛应用于许多商业领域，如内置医疗装置、消费电子产品、电动汽车、水下充电系统、LED恒流驱动源和其他工业领域；

目前，已有多种不同类型的恒流输出型拓扑被提出，较为典型的恒流输出型补偿拓扑有SS型、LC-CC型、LC-P型、LC-CL型和LCC-LCC型等。

SS型拓扑结构的缺陷在于其输出电流受松耦合变压器参数限制，因此其松耦合变压器结构一旦确定，其输出电流将不能改变，通用性较差，而LC-CC型、LC-P型、LC-CL型和LCC-LCC型拓扑结构发射侧补偿电感与发射线盘分开放置，空间利用率低，且接收侧存在补偿电感或整流器后级存在滤波电感，成本高且违背接收侧紧凑性和轻便性原则。

发明内容

本发明为解决上述问题提供一种具备恒流输出功能的WPT系统及参数设计方法,该系统将初级串联补偿电感和能量发射线圈同轴共面叠放，提高发射侧空间利用率，且接收侧无功元件少，结构简单、造价低，无需复杂控制技术。

为实现上述目的，本发明提供一种具备恒流输出功能的WPT系统，包括有直流电源U_D、高频逆变器H、初级串联补偿电感L₁、初级并联补偿电容C₁、初级串联补偿电容C₂、能量发射线圈L₂、能量接收线圈L₃、次级串联补偿电容C₃、整流器Q、滤波电容C_F和电池负载R_B，所述直流电源U_D的输出端电连接高频逆变器H的输入，所述高频逆变器H输出的一端串联接入初级串联补偿电感L₁一端，所述初级串联补偿电感L₁的另一端接初级并联补偿电容C₁和初级串联补偿电容C₂的一端，所述初级串联补偿电容C₂另一端接能量发射线圈L₂的一端，所述高频逆变器H输出的另一端与初级并联补偿电容C₁和能量发射线圈L₂的另一端连接，以此构成恒流充电发射回路；

所述能量接收线圈L₃的一端连接次级串联补偿电容C₃的一端，所述次级串联补偿电容C₃的另一端连接整流器Q输入端的一端，所述接收线圈L₃的另一端连接整流器Q输入端的另一端，以此构成恒流充电接收回路；

所述整流器Q输出端连接电池负载R_B，所述滤波电容C_F与整流器Q并联。

所述初级串联补偿电感L₁和能量发射线圈L₂同轴共面叠放，所述能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃同轴叠放，以此构成松耦合变压器来实现发射侧的电量传输到接受侧的功能。

本发明还提供一种用于设计权利要求1所述的具备恒流输出功能的WPT系统的参数设计方法，

所述初级并联补偿电容C₁的设计方程式如下：

所述初级串联补偿电容C₂的设计方程式如下：

所述次级串联补偿电容C₃的设计方程式如下：

以上设计方程式中的G_ui为集成LCC-S系统的跨导增益系数、M₂₃为能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃之间的互感、M₁₃为初级串联补偿电感L₁与能量接收线圈L₃之间的互感、M₁₂为初级串联补偿电感L₁与能量发射线圈L₂之间的互感、ω为系统工作角频率。

优选的，还包括有四个MOSFET开关管的零电压开通运行，所述MOSFET开关管含有寄生电容，需通过调节集成LCC-S结构总输入阻抗Z_in的阻抗角θ_in去中和MOSFET开关管中寄生电容的电荷，即将次级串联补偿电容C₃参数值增加10％，使输入总阻抗Z_in显感性，从而减小了逆变器导通期间的损耗，实现该WPT系统中MOSFET开关管的零电压开关，进而提高系统功率传输的总效率，并且不影响集成LCC-S型WPT系统的恒流输出特性。

输入总阻抗Z_in的阻抗角θ_in，其表达式如式(4)所示。

为简化表示阻抗角θ_in，式(4)中引入A,B两字母，A,B表达式如式(5)示：

本发明具有下列技术特点和优越性：

1.本发明在发射侧将初级串联补偿电感L₁与能量发射线圈L₂同轴共面叠放，节省了发射侧补偿电感占用的空间位置，提高了系统发射侧的空间利用率，其电路结构简单，成本低。

2.本发明接收侧仅有一个补偿电容C₃，且接收侧整流器Q后级不需笨重且庞大的滤波电感，确保了接收侧结构简单与轻便。

3.本发明能够在固定频率下通过系统本身拓扑结构实现负载无关的恒流输出，无需复杂控制技术，且系统可在全负载下实现近零相位角和零电压开关运行，确保系统运行的高效性。

4.本发明的电路拓扑在系统恒流输出时，逆变器输出电压和电流基本同相位，可以让逆变器几乎不注入无功功率，故系统损耗较小，并且对逆变器的容量要求降低。

附图说明

图1是本发明涉及的系统实施例系统整体电路架构图；

图2是本发明涉及的系统的松耦合变压器摆放结构模型图；

图3是本发明涉及的拓扑结构实施例拓扑等效电路图。

附图标记说明如下：

1、初级串联补偿电感；2、能量发射线圈；3、能量接收线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明：

一、一种具备恒流输出功能的WPT系统；

图1所示具备恒流输出功能的WPT系统整体电路架构图，由图1可见：

包括有直流电源U_D，高频逆变器H，初级串联补偿电感L₁，初级并联补偿电容C₁，初级串联补偿电容C₂，能量发射线圈L₂，能量接收线圈L₃，次级串联补偿电容C₃，整流器Q，滤波电容C_F，电池负载R_B；直流电源U_D的输出连接高频逆变器H的输入；高频逆变器H输出的一端串联接入初级串联补偿电感L₁、初级串联补偿电感L₁的另一端接初级并联补偿电容C₁和初级串联补偿电容C₂的一端、初级串联补偿电容C₂另一端接能量发射线圈L₂的一端，高频逆变器H输出的另一端与初级并联补偿电容C₁和能量发射线圈L₂的另一端连接，构成恒流充电发射回路；能量接收线圈L₃的一端连接次级串联补偿电容C₃的一端，次级串联补偿电容C₃的另一端连接整流器Q输入端的一端，接收线圈L₃的另一端连接整流器Q输入端的另一端，构成恒流充电接收回路；整流器Q输出端连接电池负载R_B，滤波电容C_F与整流器Q并联。图2所示具备恒流输出功能的WPT系统的松耦合变压器摆放结构模型，所述松耦合变压器包括初级串联补偿电感L₁、能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃，所述初级串联补偿电感L₁和能量发射线圈L₂同轴共面叠放，能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃同轴摆放，以此构成WPT系统的松耦合变压器，此种摆放方式提高了发射侧空间利用率，且接收侧无功元件少，结构简单、造价低，无需复杂控制技术。

二、一种用于设计具备恒流输出功能的WPT系统的参数设计方法；

图3所示本发明涉及的拓扑结构实施例拓扑等效电路图；等效电路包括：初级串联补偿电感L₁，能量发射线圈L₂，能量接收线圈L₃，初级串联补偿电感L₁与能量发射线圈L₂的互感M₁₂，初级串联补偿电感L₁与能量接收线圈L₃的互感M₁₃，能量发射线圈L₂与能量接收线圈L₃的互感M₂₃，初级并联补偿电容C₁，初级串联补偿电容C₂，次级串联补偿电容C₃，拓扑输入电压U₁，拓扑输入电流I₁，发射线圈电流I₂，拓扑输出电流I₃，电池等效负载R_E，拓扑输出电压U₃。

下面给出参数设计方法的详细解析。

1.由于初级串联补偿电感L₁、能量发射线圈L₂、能量接收线圈L₃均采用利兹线，内阻极小可以忽略，因此电路参数可以被简化为式(6)。

其中，Z₀为初级并联补偿电容C₁的电抗、Z₁为初级串联补偿电感L₁的电抗、Z₂为能量发射线圈L₂和初级串联补偿电容C₂的电抗、Z₃为能量接收线圈L₃和次级串联补偿电容C₃的电抗。X₀，X₁，X₂和X₃分别为Z₀，Z₁，Z₂和Z₃的实部。

2.根据基尔霍夫电压定律(KVL)列写方程组；由式(7)所示。

3.因拓扑需要满足恒流输出特性和ZPA特性，则得出式(8)两个条件等式。

4.根据式(8)，将式(6)代入式(7)可推导出式(9)。

显然，从式(9)可以看出，拓扑输出电流I₃与电池等效负载阻值无关，即系统实现负载无关的恒流输出；

5.根据式(8)和式(9)，推导出系统跨导增益系数G_ui，由式(10)所示。

6.根据式(8)和式(9)，可推导出系统总输入阻抗，由式(11)所示。

显然，从式(11)可以看出，Z_in中不含虚部，即系统能实现纯阻性输入阻抗，可在全负载范围内实现零相位角工作。

7.结合式(7)、式(8)和式(9)，可得出拓扑的初级并联补偿电容C₁、初级串联补偿电容C₂、次级串联补偿电容C₃的计算公式(12)。

综上得出，当式(8)满足时，图2拓扑可获得稳定的恒流输出，且能实现纯阻性输入阻抗。

三、具备恒流输出功能的WPT系统ZVS软开关的实现；

在本发明的WPT系统中，应用了四个MOSFET开关管，由于MOSFET开关管具有不可忽略的寄生电容，因此本发明在设计系统参数时，轻微调节集成LCC-S结构输入总阻抗Z_in的阻抗角θ_in，即将次级串联补偿电容C₃参数值增加10％，使总输入阻抗Z_in略微显感性，在MOSFET开关管导通前中和MOSFET开关管中寄生电容的电荷，减小了逆变器导通期间的损耗，实现该WPT系统中MOSFET开关管零电压开关，提高系统功率传输的总效率，并且不影响集成LCC-S型WPT系统的恒流输出特性。集成LCC-S结构的总阻抗Z_in的阻抗角θ_in的表达式如式(4)所示。

以上所述，仅是本发明的拓扑结构和参数设计的详细解析，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的拓扑结构和参数设计方法对本发明做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明拓扑结构和参数设计的内容，依据本发明的拓扑结构和参数设计实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明拓扑结构和参数设计方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种具备恒流输出功能的WPT系统，其特征在于：包括有直流电源U_D、高频逆变器H、初级串联补偿电感L₁、初级并联补偿电容C₁、初级串联补偿电容C₂、能量发射线圈L₂、能量接收线圈L₃、次级串联补偿电容C₃、整流器Q、滤波电容C_F和电池负载R_B，所述直流电源U_D的输出端电连接高频逆变器H的输入，所述高频逆变器H输出的一端串联接初级串联补偿电感L₁的一端，所述初级串联补偿电感L₁的另一端接初级并联补偿电容C₁和初级串联补偿电容C₂的一端，所述初级串联补偿电容C₂另一端接能量发射线圈L₂的一端，所述高频逆变器H输出的另一端与初级并联补偿电容C₁和能量发射线圈L₂的另一端连接，以此构成恒流充电发射回路；

所述能量接收线圈L₃的一端连接次级串联补偿电容C₃的一端，所述次级串联补偿电容C₃的另一端连接整流器Q输入端的一端，所述接收线圈L₃的另一端连接整流器Q输入端的另一端，以此构成恒流充电接收回路；

所述整流器Q输出端连接电池负载R_B，所述滤波电容C_F与整流器Q并联；

所述初级串联补偿电感L₁和能量发射线圈L₂同轴共面叠放，能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃同轴摆放，以此构成松耦合变压器来实现发射侧的电量传输到接受侧的功能。

2.一种用于设计权利要求1所述的具备恒流输出功能的WPT系统的参数设计方法，其特征在于：

所述初级并联补偿电容C₁的设计方程式如下：

所述初级串联补偿电容C₂的设计方程式如下：

所述次级串联补偿电容C₃的设计方程式如下：

以上设计方程式中的G_ui为集成LCC-S系统的跨导增益系数、M₂₃为能量发射线圈L₂和能量接收线圈L₃之间的互感、M₁₃为初级串联补偿电感L₁与能量接收线圈L₃之间的互感、M₁₂为初级串联补偿电感L₁与能量发射线圈L₂之间的互感、ω为系统工作角频率。

3.根据权利要求2所述的一种具备恒流输出功能的WPT系统的参数设计方法，其特征在于：还包括有四个MOSFET开关管的零电压开通运行，所述MOSFET开关管含有寄生电容，需通过调节集成LCC-S结构总输入阻抗Z_in的阻抗角θ_in去中和MOSFET开关管中寄生电容的电荷，即将次级串联补偿电容C₃参数值增加10％，使输入总阻抗Z_in显感性；

所述输入总阻抗Z_in的阻抗角θ_in，为简化表示阻抗角θ_in，将输入总阻抗Z_in的阻抗角θ_in的表达式中引入A、B两字母，其表达式如下：

并且，A、B表达式如下：