CN115534715B - 一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压ipt系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统。该系统包括：逆变器用于输出交流电压源作为LCL型补偿网络的输入激励；LCL型补偿网络与T型补偿网络相连接，进入恒流充电模式，T型补偿网络连接所述整流器；LCL型补偿网络与T型补偿网络复合构成可配置充电电流的IPT恒流充电系统；当负载电压上升至切换的阈值电压时，LCL型补偿网络与T'型补偿网络相连接，进入恒压充电模式，T'型补偿网络连接所述整流器；LCL型补偿网络与T'型补偿网络复合构成可配置充电电压的IPT恒压充电系统；整流器与所述充电负载相连接。本发明能够实现对充电电流和充电电压进行自由的配置。

Description

一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统
技术领域
本发明涉及电动汽车充电负载充电领域，特别是涉及一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统。
背景技术
电动汽车充电负载一般为锂电池，针对锂电池充电一般要经过两段式充电过程，即恒流(CC)阶段和恒压(CV)阶段，目前实现恒流恒压充电的方式有很多，主要包括动态调节法和变静态补偿法两大类，其中，动态调节法主要包括发射侧和接收侧加入变换器、变频控制移相控制等等。但是这几种方式大多需要发射侧和接收侧进行通信，需要额外的控制电路。不仅增加了系统的控制难度和成本，而且并不能对充电电压和充电电流进行配置。为了解决由动态调节法实现恒流恒压充电的弊端，越来越多的学者将目光投向了变静态补偿法。
变静态补偿法主要是将一些基本的补偿拓扑进行重新组合成能够满足恒流恒压条件的复合补偿拓扑，或者通过开关的切换改变补偿拓扑的结构，或者引入一些无源元件并且配合开关的切换改变补偿网络的参数来实现充电负载的恒流恒压输出。文献《可配置充电电流的感应式无线充电系统研究》通过将T型电路和S-S型电路进行重组实现了充电电流可配置的恒流恒压PT系统，但是并不能配置充电电压，此外，这种以重组方式实现恒流恒压充电的方法，往往会增加额外的无源元件，一些学者在尽量减少补偿网络无源元件和开关器件的前提下，通过改变补偿网络的结构实现充电负载的恒流恒压输出。文献《基于发射侧T/F变结构补偿网络的恒压恒流无线充电系统》在发射侧通过开关的切换实现了可配置充电电流的T/F变结构恒流恒压输出，取消了原副边之间的通信，但是并不能对充电电压进行配置，且需要复杂的控制电路。
以上方案中无论是动态调节法和变静态补偿法均不能对充电电压和充电电流进行自由的配置，缺乏对恒流恒压输出的灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，以解决无法对充电电压和充电电流进行自由的配置问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，包括：逆变器、LCL型补偿网络、T型补偿网络、T'型补偿网络、整流器以及充电负载；
所述逆变器与所述LCL型补偿网络相连接；所述逆变器用于输出交流电压源作为所述LCL型补偿网络的输入激励；
所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络相连接，进入恒流充电模式，所述T型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络复合构成可配置充电电流的IPT恒流充电系统；
当负载电压上升至切换的阈值电压时，所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络相连接，进入恒压充电模式，所述T'型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络复合构成可配置充电电压的IPT恒压充电系统；所述整流器与所述充电负载相连接。
可选的，所述LCL型补偿网络，具体包括：发射侧的补偿元件、变压器以及接收侧的补偿元件；所述发射侧的补偿元件包括线圈LP1以及电容CP；所述接收侧的补偿线圈包括电容CS、电容CSe以及电感LSe；所述变压器的发射线圈为电感LP，接收线圈为电感Ls；
所述线圈LP1的一端与所述逆变器相连接，所述线圈LP1的另一端分别与所述电容CP以及所述电感LP的一端相连接；所述电容CP分别与所述逆变器以及所述电感LP的另一端相连接；
所述电感Ls的一端与开关S1的一端相连接，所述开关S1的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；所述电感Ls的另一端与开关S2的一端相连接，所述开关S2的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；
所述电容CSe的一端与所述开关S1的触点1以及所述电感LSe的一端相连接，所述电容CSe的另一端与所述开关S2的触点1以及所述T'型补偿网络相连接；所述电感LSe的另一端与所述T'型补偿网络相连接；所述开关S1的触点2与所述电容CS的一端相连接；所述电容CS的另一端与所述T型补偿网络相连接；所述开关S2的触点2与所述整流器相连接。
可选的，所述T型补偿网络，具体包括：电感LS1、电容CS2、电感LS3以及开关S3；
所述电感LS1的一端与所述电容CS的另一端相连接；所述电感LS1的另一端与电容CS2的一端以及所述电感LS3的一端相连接；所述电容CS2的另一端与所述开关S3的一端；所述开关S3的另一端与所述开关S2的触点2、所述整流器相连接；所述电感LS3的另一端与所述整流器相连接。
可选的，所述T'型补偿网络，具体包括：电感LS1'、电容CS2'、电感LS3'；
所述电感LS1'的一端与所述电感LSe的另一端相连接；所述电感LS1'的另一端与所述电容CS2'的一端以及所述电感LS3'的一端相连接；所述电容CS2'的另一端与所述电容CSe的另一端、所述整流器相连接；所述电感LS3'的另一端与所述整流器相连接；
当所述开关S1连接到所述开关S1的触点2，开关S2连接到所述开关S2的触点2，所述开关S3闭合时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒流充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-S型补偿网络；
当所述开关S1连接到所述开关S1的触点1，所述开关S2连接到所述开关S2的触点1，所述开关S3断开时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒压充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-LCL型补偿网络。
可选的，所述恒流充电模式下：
在恒流模式下，流经充电负载的电流IB为：其中，E为直流稳压电源E的电压值；M为发射线圈和接收线圈之间的互感；ω为角频率；CS2为所述电容CS2的电容值；LP1为所述线圈LP1的电感值；
在恒流模式下，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统的输入阻抗Zin为：其中，CP为所述电容CP的电容值；RL为充电负载。
可选的，所述恒压充电模式下：
在恒压模式下，充电负载两端电压VB为：其中，CSe为所述电容CSe的电容值；
在恒压模式下，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统的输入阻抗Zin'为：其中，CS2'为电容CS2'的电容值；Req为整流器和充电负载的等效阻抗值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，通过开关切换到不同的补偿网络，并改变T型补偿网络或T'型补偿网络的元件参数，实现对充电电流和充电电压进行自由的配置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统电路图；
图2为本发明所提供的可配置充电电流的恒流谐振网络拓扑图；
图3为本发明所提供的可配置充电电压的恒压谐振网络拓扑图；
图4为本发明所提供的单逆变器对多系统充电的系统电路图；
图5为本发明所提供的48V2A系统恒流模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图5(a)为本发明所提供的48V2A系统恒流模式下，充电负载为12Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图5(b)为本发明所提供的48V2A系统恒流模式下，充电负载为24Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图6为本发明所提供的48V2A系统恒压模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图6(a)为本发明所提供的48V2A系统恒压模式下，充电负载为24Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图6(b)为本发明所提供的48V2A系统恒压模式下，充电负载为200Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图7为本发明所提供的48V2A系统充电电压和充电电流随充电负载变化曲线图；
图8为本发明所提供的48V3A系统恒流模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图8(a)为本发明所提供的48V3A系统恒流模式下，充电负载为8Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图8(b)为本发明所提供的48V3A系统恒流模式下，充电负载为16Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图9为本发明所提供的48V3A系统恒压模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图9(a)为本发明所提供的48V3A系统恒压模式下，充电负载为16Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图9(b)为本发明所提供的48V3A系统恒压模式下，充电负载为200Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图10为本发明所提供的48V3A系统充电电压和充电电流随充电负载变化曲线图；
图11为本发明所提供的36V3A系统恒流模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图11(a)为本发明所提供的36V3A系统恒流模式下，充电负载为6Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图11(b)为本发明所提供的36V3A系统恒流模式下，充电负载为12Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图12为本发明所提供的36V3A系统恒压模式下逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图12(a)为本发明所提供的36V3A系统恒压模式下，充电负载为12Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；图12(b)为本发明所提供的36V3A系统恒压模式下，充电负载为200Ω的逆变器输出电压UP和输出电流Iin波形图；
图13为本发明所提供的36V3A系统充电电压和充电电流随充电负载变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供了一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，能够实现对充电电流和充电电压进行自由的配置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统电路图，如图1所示，一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，包括：逆变器、LCL型补偿网络、T型补偿网络、T'型补偿网络、整流器以及充电负载；所述逆变器与所述LCL型补偿网络相连接；所述逆变器用于输出交流电压源作为所述LCL型补偿网络的输入激励；所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络相连接，进入恒流充电模式，所述T型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络复合构成可配置充电电流的IPT恒流充电系统；当负载电压上升至切换的阈值电压时，所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络相连接，进入恒压充电模式，所述T'型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络复合构成可配置充电电压的IPT恒压充电系统；所述整流器与所述充电负载相连接。
直流稳压电源E通过单相逆变电路产生的高频交流电压源UP作为输入激励，单相逆变器由开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成。LP和LS分别表示发射线圈和接收线圈的自感，LP1、CP表示发射侧的补偿元件，CS、CSe、和LSe表示接收侧的补偿元件，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，接收侧采用单相不可控高频整流电路，桥臂由二极管D1、D2、D3、D4构成，Iin和Iab分别表示逆变器输出电流和整流器的输入电流，IP和IS分别表示流经发射线圈和接收线圈的电流，UP和Vab分别为逆变器输出电压和整流器的输入电压，US为LCL-S型补偿网络的输出电压，Icc表示LCL-LCL型补偿网络的输出电流，LS1、CS2、LS3和LS1'、CS2'、LS3'分别构成了T型和T'型补偿网络，Req表示整流器和充电负载的等效阻抗，ZT表示T型补偿网络以及Req的阻抗之和，ZT'表示T'型网络以及Req的阻抗之和，Zin表示系统输入阻抗。Cf为滤波电容，IB为流经充电负载的电流，VB和RB分别表示充电负载两端的电压和内阻。
在实际应用中，所述LCL型补偿网络，具体包括：发射侧的补偿元件、变压器以及接收侧的补偿元件；所述发射侧的补偿元件包括线圈LP1以及电容CP；所述接收侧的补偿线圈包括电容CS、电容CSe以及电感LSe；所述变压器的发射线圈为电感LP，接收线圈为电感Ls；所述线圈LP1的一端与所述逆变器相连接，所述线圈LP1的另一端分别与所述电容CP以及所述电感LP的一端相连接；所述电容CP分别与所述逆变器以及所述电感LP的另一端相连接；所述电感Ls的一端与开关S1的一端相连接，所述开关S1的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；所述电感Ls的另一端与开关S2的一端相连接，所述开关S2的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；所述电容CSe的一端与所述开关S1的触点1以及所述电感LSe的一端相连接，所述电容CSe的另一端与所述开关S2的触点1以及所述T'型补偿网络相连接；所述电感LSe的另一端与所述T'型补偿网络相连接；所述开关S1的触点2与所述电容CS的一端相连接；所述电容CS的另一端与所述T型补偿网络相连接；所述开关S2的触点2与所述整流器相连接。
在实际应用中，所述T型补偿网络，具体包括：电感LS1、电容CS2、电感LS3以及开关S3；所述电感LS1的一端与所述电容CS的另一端相连接；所述电感LS1的另一端与电容CS2的一端以及所述电感LS3的一端相连接；所述电容CS2的另一端与所述开关S3的一端；所述开关S3的另一端与所述开关S2的触点2、所述整流器相连接；所述电感LS3的另一端与所述整流器相连接。
图2为本发明所提供的可配置充电电流的恒流谐振网络拓扑图，如图2所示，当开关S1连接到触点2，开关S2连接到触点2，开关S3闭合时，系统进入恒流充电模式，此时由LCL-S和LS1、CS2、LS3构成的T型补偿网络复合构成可配置充电电流的IPT恒流充电系统，如图2所示。
直流稳压电源E与逆变器输出的高频交流电压源UP的关系为：
其中，up为高频交流电压源UP的基波有效值。
整流器输入电流Iab与充电负载电流IB之间的关系为：
其中iab为整流器输入电流的基波有效值。
假设逆变器移相角为π，则根据功率守恒定律计算所得整流器相关电路的等效电阻Rrec与蓄电池等效内阻RB的关系为：
因此整流器和负载电路等效总电阻为：
Req＝RB+Rrec (4)
LCL-S型补偿网络需满足：
其中，ω为角频率；LP1为所述线圈LP1的电感值；CP为所述电容CP的电容值；LP为所述电感LP的电感值；LS为所述电感Ls的电感值；CS为所述电容CS的电容值。
在满足式(5)的条件下，经计算可得到LCL-S型补偿网络的输出电压US为：
其中，为所述输出电压US的输出电压值；/>为所述逆变器的输出电压值；M为发射线圈和接收线圈之间的互感；
在满足式(5)的条件下，可求出LCL-LC补偿网络的输入阻抗为：
其中，Zin为所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统的输入阻抗值；ZT为T型补偿网络以及Req的阻抗之和；Req为整流器和充电负载的等效阻抗值；CP为所述电容CP的电容值。
T型补偿网络需满足：
其中，LS1为电感LS1的电感值；LS3为电感LS3的电感值；CS2为所述电容CS2的电容值。
在满足式(8)的条件下，此时整流器输入电流Iab与LCL-S补偿网络的输出电压US的增益关系Gi为：
其中，为输入电流Iab的电流值。
在满足式(8)的条件下，可计算T型补偿网络的输入阻抗的值为：
结合式(1)、(2)、(6)、(9)可以求出系统在恒流模式下流经充电负载的电流为：
结合式(3)、(4)、(7)、(10)可得在恒流模式下系统的输入阻抗为：
由式(11)可知在恒流模式下系统的输出电流与负载无关，只与直流稳压电源E、互感M、原边补偿电感LP1、系统的谐振角频率ω、以及接收侧T型补偿网络中的补偿电容CS2有关，一般来说LP1、M、E、ω在无线充电IPT系统中不容易调节，可以认为是固定不变的，可以通过调节接收侧补偿电容CS2来配置所需充电电流的大小。并且由式(12)可知系统输入阻抗为纯阻性，系统没有无功功率输入，系统电压电流可以实现ZPA。
在实际应用中，所述T'型补偿网络，具体包括：电感LS1'、电容CS2'、电感LS3'；所述电感LS1'的一端与所述电感LSe的另一端相连接；所述电感LS1'的另一端与所述电容CS2'的一端以及所述电感LS3'的一端相连接；所述电容CS2'的另一端与所述电容CSe的另一端、所述整流器相连接；所述电感LS3'的另一端与所述整流器相连接；当所述开关S1连接到所述开关S1的触点2，开关S2连接到所述开关S2的触点2，所述开关S3闭合时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒流充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-S型补偿网络；当所述开关S1连接到所述开关S1的触点1，所述开关S2连接到所述开关S2的触点1，所述开关S3断开时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒压充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-LCL型补偿网络。
图3为本发明所提供的可配置充电电压的恒压谐振网络拓扑图，当负载电压上升到切换的阈值电压时，开关S1连接到触点1，开关S2连接到触点1，开关S3断开时，系统进入恒压充电模式，此时系统由LCL-LCL型补偿网络和LS1'、CS2'、LS3'构成的T'型补偿网络复合构成，可配置充电电压的IPT恒压充电系统如图3所示。
LCL-LCL型补偿网络参数需满足：
其中，CSe为所述电容CSe的电容值；LP1为发射端补偿电感；LSe为所述线圈LSe的电感值。
在满足式(13)的条件下，LCL-LCL型补偿网络的输入阻抗为：
其中，ZT'为T'型补偿网络以及Req的阻抗之和。
在满足式(13)的条件下，经计算可得到LCL-LCL型补偿网络的输出电流ICC为：
其中，为输出电流ICC的电流值；j为虚数单位。
当T'型补偿网络满足：
其中，LS1'为电感LS1'的电感值；LS1'为电感LS3'的电感值；CS2'为电容CS2'的电容值。
此时整流器输入电压Vab与LCL-LCL型补偿网络的输出电流ICC的增益关系Gv为：
其中，为输入电压Vab的电压值。
整流器输入电压与充电负载电压之间的关系为
其中，vab为整流器输入电压的基波有效值。
结合式(15)、(17)、(18)可求出充电负载两端电压为：
由于T型补偿网络和T'型补偿网络只是补偿参数的不同，T'型补偿网络的输入阻抗可以参考式(10)，因此结合式(3)、(4)、(10)、(14)可以求出在恒压模式下系统的输入阻抗为：
由式(19)可知在恒压模式下系统的输出电压与充电负载无关，只与直流稳压电源E、互感M、发射侧补偿电感LP1、接收侧补偿电容Cse、以及T'型补偿网络中的补偿电容CS2'有关，当电动汽车接收侧补偿参数固定，即直流稳压电源、发射和接收线圈之间的互感M、谐振角频率ω以及发射测补偿电感LP1不变的情况下，仍然可以通过调节接收侧补偿电容CSe、T'型补偿网络中补偿电容CS2'来调节充电负载输出电压的大小。并且由式(20)可知系统输入阻抗为纯阻性，系统没有无功功率输入，电压电流可以实现ZPA。
由式(11)、(19)可知，当补偿网络系统参数固定，系统的输出电压和输出电流只与直流电源E有关，为了满足电动汽车对不同等级充电电压和充电电流的需求，可以将图1所示的变拓扑恒流恒压IPT系统并联到一台逆变器上，可以实现对不同充电电压和充电电流进行自由配置，图4为本发明所提供的单逆变器对多系统充电的系统电路图，如图4所示。
从图4可以看出开关S1、S2直到Sn决定某一充电系统是否对电动汽车进行充电，为了满足电动汽车对不同充电电流等级的需求，可以通过调节T1、T2直到Tn系统参数，对电动汽车充电电流进行自由的配置，为了满足电动汽车对不同充电电压等级的需求，可以通过调节T1'、T2'直到Tn'系统参数，对电动汽车充电电压进行自由的配置。
设无线充电系统在恒流模式下充电电流为IB，在恒压模式下的充电电压为VB，逆变器的直流输入电压为E，系统的谐振频率为ω，原边线圈的自感为LP，副边线圈的自感为LS，原副边线圈之间的互感为M。
由式(5)可以分别求出L1、CP、CS的值为：
由式(13)可求出Cse、Lse的值为：
由式(11)可求出CS2的值为：
由式(19)可求出CS2'的值为：
结合式(8)、(16)可得T型补偿网络中LS1、LS3和LS1'、LS3'的值分别为：
为了验证本发明可配置充电电流和可配置充电电压IPT系统理论分析的正确性，在MATLAB环境下搭建仿真模型，在可配置充电电流和充电电压的仿真模型中，直流电源均设置为70V，谐振频率均设置为55KHz，发射和接收线圈之间的互感均设置为100μH，可配置充电电压选择为36V和48V，可配置充电电流选择为2A、3A，本发明以48V2A、48V3A两组仿真结果对可配置充电电流IPT系统理论进行验证，以36V3A、48V3A两组仿真结果对可配置充电电压IPT系统理论进行验证，具体的仿真参数和系统指标如表1所示。
表1 48V2A、3A可配置充电电流IPT系统仿真参数表
可配置充电电流的恒流恒压IPT系统仿真分析：如图5-图6所示，由图5和图6可知无论在恒流模式还是恒压模式下，逆变器输出电流和输出电压保持同相位，可以认为系统在单位功率下运行，没有无功功率的输入，验证了恒流和恒压阶段输入阻抗为纯阻性理论分析的正确性，此外，在恒流模式下随着充电负载内阻的增加，系统输入阻抗逐渐减小，系统输出电流逐渐增加，这与式(12)相对应，验证了理论分析的正确性。在恒压模式下随着充电负载内阻的增加，系统输入阻抗逐渐增大，系统输出电流逐渐减小，这与式(20)相对应，验证了理论分析的正确性。
从图7可知变拓扑无线充电IPT系统充电过程主要分为恒流(CC)和恒压(CV)两个阶段，当充电负载内阻由12Ω逐渐增加到24Ω，充电电流由2.1A逐渐下降到2.0A，电流变化率为4.28％，充电电流几乎不受充电负载的影响，充电电流基本保持不变。随着充电负载两端电压上升到恒流恒压切换的阈值电压48V时，恒流模式切换到恒压模式，充电负载的内阻由24Ω继续增加到200Ω，充电电压由48V增加到49.6V，电压变化率为3.22％，充电电压几乎不受充电负载的影响，充电电压基本保持不变。与此同时，系统输出电流逐渐减小至截止电流(0.248A)，至此充电过程结束。
充电基本原理：由图8和图9可知无论在恒流模式还是恒压模式下，逆变器输出电流和输出电压保持同相位，可以认为系统在单位功率下运行，没有无功功率的输入，验证了恒流和恒压阶段输入阻抗为纯阻性理论分析的正确性，此外，在恒流模式下随着充电负载内阻的增加，系统输入阻抗逐渐减小，系统输出电流逐渐增加，这与式(12)相对应，验证了理论分析的正确性。在恒压模式下随着充电负载内阻的增加，系统输入阻抗逐渐增大，系统输出电流逐渐减小，这与式(20)相对应，验证了理论分析的正确性。
充电过程：从图8-10可知变拓扑无线充电IPT系统充电过程主要分为恒流(CC)和恒压(CV)两个阶段，当充电负载内阻由8Ω逐渐增加到16Ω，充电电流由3.2A逐渐下降到3A，电流变化率为6.25％，充电电流几乎不受充电负载的影响，充电电流基本保持不变。随着充电负载两端电压上升到恒流恒压切换的阈值电压48V时，恒流模式切换到恒压模式，充电负载的内阻由16Ω继续增加到200Ω，充电电压由48V增加到50.3V，电压变化率为4.57％，充电电压几乎不受充电负载的影响，充电电压基本保持不变。与此同时，系统输出电流逐渐减小至截止电流(0.251A)，至此充电过程结束。如图8-10所示给出了48V3A系统逆变器输出电流和输出电压波形和充电电流和充电电压随着充电负载内阻变化的曲线图，具体的系统参数及系统指标如表2所示。
表2 3A36V、48V可配置充电电压IPT系统仿真参数表
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可配置充电电压的恒流恒压IPT系统仿真分析：由于48V3A充电系统在上文已经给出，这里不再重复放置仿真波形，如图11-图13所示，给出了36V3A系统逆变器输出电流和输出电压波形和充电电流和充电电压随着充电负载内阻变化的曲线图，具体的系统参数及系统指标如表3所示。
表3可配置充电电流和充电电压恒流恒压IPT系统指标表
本发明基于LCL-S和LCL-LCL两种拓扑电路提出了在接收侧增加三个开关，通过开关的切换将LCL-S型补偿网络切换到了LCL-LCL型补偿网络，并以T型补偿网络做为调节充电电流和充电电压的调节系统，实现了恒流恒压的相互转换，同时将多个可配置充电电流和充电电压的IPT系统并联到一台逆变器上，达到对充电电压和充电电流自由配置的目的。此外，该方案还有以下明显优点：无需发射侧与接收侧通信和复杂的控制电路，系统复杂性低，其次，在恒流和恒压充电过程中，几乎没有无功输入，大大提高了系统的充电效率。最后在仿真结果中，充电电流和充电电压均表现出良好的恒流恒压特性，且可以实现对充电电压和充电电流的自由配置，完全满足单逆变器对多IPT系统充电的构想，为以后可配置充电电流和充电电压IPT系统提供了参考。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，其特征在于，包括：逆变器、LCL型补偿网络、T型补偿网络、T'型补偿网络、整流器以及充电负载；
所述逆变器与所述LCL型补偿网络相连接；所述逆变器用于输出交流电压源作为所述LCL型补偿网络的输入激励；所述LCL型补偿网络，具体包括：发射侧的补偿元件、变压器以及接收侧的补偿元件；所述发射侧的补偿元件包括线圈LP1以及电容CP；所述接收侧的补偿线圈包括电容CS、电容CSe以及电感LSe；所述变压器的发射线圈为电感LP，接收线圈为电感Ls；
所述线圈LP1的一端与所述逆变器相连接，所述线圈LP1的另一端分别与所述电容CP以及所述电感LP的一端相连接；所述电容CP分别与所述逆变器以及所述电感LP的另一端相连接；
所述电感Ls的一端与开关S1的一端相连接，所述开关S1的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；所述电感Ls的另一端与开关S2的一端相连接，所述开关S2的另一端根据不同充电模式连接不同的触点；
所述电容CSe的一端与所述开关S1的触点1以及所述电感LSe的一端相连接，所述电容CSe的另一端与所述开关S2的触点1以及所述T'型补偿网络相连接；所述电感LSe的另一端与所述T'型补偿网络相连接；所述开关S1的触点2与所述电容CS的一端相连接；所述电容CS的另一端与所述T型补偿网络相连接；所述开关S2的触点2与所述整流器相连接；
当开关S1连接到触点2，开关S2连接到触点2，开关S3闭合时，所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络相连接，进入恒流充电模式，所述T型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T型补偿网络复合构成可配置充电电流的IPT恒流充电系统；所述T型补偿网络，具体包括：电感LS1、电容CS2、电感LS3以及开关S3；
所述电感LS1的一端与所述电容CS的另一端相连接；所述电感LS1的另一端与电容CS2的一端以及所述电感LS3的一端相连接；所述电容CS2的另一端与所述开关S3的一端；所述开关S3的另一端与所述开关S2的触点2、所述整流器相连接；所述电感LS3的另一端与所述整流器相连接；
当负载电压上升至切换的阈值电压时，开关S1连接到触点1，开关S2连接到触点1，开关S3断开时，所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络相连接，进入恒压充电模式，所述T'型补偿网络连接所述整流器；所述LCL型补偿网络与所述T'型补偿网络复合构成可配置充电电压的IPT恒压充电系统；所述整流器与所述充电负载相连接；所述T'型补偿网络，具体包括：电感LS1'、电容CS2'、电感LS3'；
所述电感LS1'的一端与所述电感LSe的另一端相连接；所述电感LS1'的另一端与所述电容CS2'的一端以及所述电感LS3'的一端相连接；所述电容CS2'的另一端与所述电容CSe的另一端、所述整流器相连接；所述电感LS3'的另一端与所述整流器相连接；
当所述开关S1连接到所述开关S1的触点2，开关S2连接到所述开关S2的触点2，所述开关S3闭合时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒流充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-S型补偿网络；
当所述开关S1连接到所述开关S1的触点1，所述开关S2连接到所述开关S2的触点1，所述开关S3断开时，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统进入所述恒压充电模式，所述LCL型补偿网络为LCL-LCL型补偿网络。
2.根据权利要求1所述的可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，其特征在于，所述恒流充电模式下：
在恒流模式下，流经充电负载的电流IB为：其中，E为直流稳压电源E的电压值；M为发射线圈和接收线圈之间的互感；ω为角频率；CS2为所述电容CS2的电容值；LP1为所述线圈LP1的电感值；
在恒流模式下，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统的输入阻抗Zin为：其中，CP为所述电容CP的电容值；RL为充电负载。
3.根据权利要求2所述的可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统，其特征在于，所述恒压充电模式下：
在恒压模式下，充电负载两端电压VB为：其中，CSe为所述电容CSe的电容值；
在恒压模式下，所述可配置充电电压和充电电流的恒流恒压IPT系统的输入阻抗Zin'为：其中，CS2'为电容CS2'的电容值；Req为整流器和充电负载的等效阻抗值。
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