CN115632492A - 一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构及系统 - Google Patents

一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构及系统 Download PDF

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CN115632492A CN202211356744.8A CN202211356744A CN115632492A CN 115632492 A CN115632492 A CN 115632492A CN 202211356744 A CN202211356744 A CN 202211356744A CN 115632492 A CN115632492 A CN 115632492A
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张俊杰
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Abstract

本发明公开了一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，包括原边补偿网络、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿网络，所述可重构拓扑具有两个工作频率f1、f2，并分别对应于不同的原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数k的变化范围。本发明还公开了应用该可重构拓扑结构的无线电能传输系统。在较大的偏移范围下，本发明的可重构拓扑可以通过切换开关频率改变原边等效的补偿网络，同时副边补偿网络仍处于完全谐振状态。在不同开关频率下，原边等效的补偿网络分别为LCC补偿网络以及串联补偿网络。通过设计不同补偿网络下的功率与耦合系数特性，来实现在较大偏移范围下的相对稳定输出。

Description

一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构及系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种应用于无线电能传输系统的具有高偏移适应性的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构。
背景技术
传统的充电方式为接触式有线充电，这种方法存在插接件笨重、操作繁杂、易磨损、可靠性差、雨雪天气易漏电等问题，并且输电线缆的长度和拖拽都阻碍限制了移动设备的灵活性，维护成本较高。为了提高用电系统的安全性、可靠性和灵活性，采用无线方式进行能量的传输成为了研究的热点。采用无线电能传输系统进行充、供电，可以克服接触式充电方法带来的易受电击、易受环境影响等不足，实现电能绿色、安全、高效地传输。
但是由于其原边发射线圈与副边接收线圈位置的灵活性，偏移情况无法避免。这将降低系统的耦合系数并影响输出特性。对于实际的无线电能传输系统需要在一定的偏移范围下具有稳定的输出特性。
针对上述问题，现有的技术主要有三种方案：一、整个无线电能传输系统采用闭环控制的方式对偏移下的输出性能进行补偿，例如通过对逆变电路进行调频控或移相控制来调节系统的输出特性，但这种方法增加的系统控制的复杂度，并且系统效率随耦合系数的降低而降低；二，采用多级补偿控制的方式，例如通过在无线电能传输系统前级或后级添加dc-dc电路，但这种方法增加了系统的成本和复杂度；三，使用混合补偿拓扑的方式，利用不同输出特性的补偿结构通过串联或并联的方式实现偏移下稳定的输出特性，但这种方法仅能实现两个方向的偏移适应能力，并且限制了原副边线圈的结构。
例如专利公开号为CN115037062A的专利说明书公开的一种抗偏移的混合补偿结构，在耦合机构发生偏移的情况下，通过混合式补偿电路将基波和三次谐波功率进行传输，通过两个补偿网络的输出特性互补来对输出功率进行调节，从而达到恒功率输出，但是由于三倍频分量直流电压利用率较低，该系统仅能用于高耦合的情况，限制了其在低耦合场景下的应用。
IEEE Transactions on Power Electronics，第30卷11期，第6320-6328页，“ADual-Side Controlled Inductive Power Transfer System Optimized for LargeCoupling Factor Variations and Partial Load”论文介绍了一种通过对逆变电路进行移相控制和有源整流来拓展无线电能传输系统的偏移和负载范围的控制策略，但是移相控制和有源整流导致开关管处于硬开关工作状态，降低了系统的效率。
可以看出目前的方法均具有一定局限性，因此，亟需一种新的方法来实现无线电能传输系统在一定的偏移范围下的稳定的输出特性。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，应用该结构的无线电能传输系统能够实现在大范围的耦合系数变化下，系统的输出功率变化较小。
一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，包括原边补偿网络、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿网络；
所述原边补偿网络包括原边串联补偿电感L1、原边串联补偿电容Cp、原边并联补偿电感L2、原边并联补偿电容C1，原边并联补偿电感L2与原边并联补偿电容C1组成LC并联谐振网络；
原边串联补偿电容Cp与原边发射线圈Lp组成LC串联谐振网络1，所述LC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络1并联；
所述逆变电路输出侧的两端分别与原边串联补偿电感L1和所述LC串联谐振网络1相连；
所述副边补偿网络包括副边串联补偿电容Cs、副边并联补偿电感L3、副边并联电感补偿电容C3、副边并联补偿电容C2，副边并联补偿电感L3，副边并联电感补偿电容C3与副边并联补偿电容C2组成LCC并联谐振网络；
副边串联补偿电容Cs与副边接收线圈Ls组成LC串联谐振网络2，所述LCC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络2串联；
所述整流电路的输入侧的两端分别与所述LC串联谐振网络2和LCC并联谐振网络相连。
电流经由原边串联补偿电感，在LC串联谐振网络1与LC并联谐振网络的并联结构处进行分流，分流电流通过原边串联补偿电容传至原边发射线圈，利用电磁场耦合作用，将能量传输至副边线圈，电流再传至LCC并联谐振网络，最后经由副边串联补偿电容Cs输出能量。
具体的，所述可重构拓扑具有两个工作频率f1、f2，并分别对应于不同的原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数k的变化范围。
具体的，所述逆变电路开关频率处于工作频率时，所述可重构拓扑处于原边失谐，副边谐振的状态。
优选的，所述可重构拓扑工作在工作频率f1时，所述可重构拓扑等效为LCC-S补偿拓扑；所述可重构拓扑工作在工作频率f2时，所述可重构拓扑等效为S-S补偿拓扑。
优选的，所述可重构拓扑工作在工作频率f1时，所述等效LCC-S补偿拓扑的输出功率随耦合系数的降低，先增加后减少，其输出特性表达式为：
Figure BDA0003920182690000031
其中，ω为逆变器开关角频率；
k为原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数；
Lp、Ls分别为原边发射线圈Lp、副边接收线圈Ls的电感；
Xp1为原边LCC补偿网络的等效电抗，VAB为逆变器输出电压的基波有效值，Req为整流器输入端的等效交流电阻。
所述可重构拓扑工作在工作频率f2时，所述等效S-S补偿拓扑的输出功率随耦合系数的降低，先增加后减少，其输出特性表达式为：
Figure BDA0003920182690000032
其中，Xp2为原边串联补偿网络的等效电抗，VAB为逆变器输出电压的基波有效值，Req为整流器输入端的等效交流电阻。
优选的，所述原边并联补偿电感所在的支路上串联电容，该电容可用于降低该原边并联补偿电感的感量。
优选的，所述的原边发射线圈与副边接收线圈由屏蔽，导磁磁芯以及利兹线或导线绕制的松耦合变压器组成，所述屏蔽可使用铝板、铜板、钢板等金属材料，所述导磁磁芯可使用铁氧体、粉芯、非晶纳米晶等材料。
本发明还提供了一种采用上述基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构的无线电能传输系统，包括直流输入电源、逆变电路、所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构、整流电路以及负载。
优选的，所述逆变电路可采用半桥逆变电路、全桥逆变电路、多电平逆变电路或推挽式逆变电路。
因此，与现有技术相比，本发明具有的优点是：
本发明在较大的偏移范围下，所述可重构拓扑可以通过切换开关频率改变原边等效的补偿网络，同时副边补偿网络仍处于完全谐振状态。在不同开关频率下，原边等效的补偿网络分别为LCC补偿网络以及串联补偿网络。通过设计不同补偿网络下的功率与耦合系数特性，来实现在较大偏移范围下的稳定输出。
附图说明
图1为本发明的基于多谐振补偿的可重构拓扑的结构图。
图2为本发明在开关频率f1下的拓扑的结构图。
图3为本发明在开关频率f1下的拓扑的原边补偿网络戴维宁等效的结构图。
图4为本发明在开关频率f2下的拓扑的结构图。
图5为本发明输出功率与耦合系数的输出特性曲线。
图6为本发明在开关频率切换点处开关频率f1下的实验波形。
图7为本发明在开关频率切换点处开关频率f2下的实验波形。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
为了验证本发明所提出的基于多谐振补偿的可重构拓扑的无线电能传输系统的可行性与有效性，本实例搭建了一台额定输出功率为450W的实验样机，采用本发明的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，并基于实验结果与数学分析对本发明进行了详细的解释。
如图1所示，本实施例的基于多谐振补偿的可重构拓扑的无线电能传输系统包括直流电源、逆变电路、原边补偿网络、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿网络、整流电路以及负载；
所述原边补偿网络包括原边串联补偿电感L1，原边串联补偿电容Cp，原边并联补偿电感L2，原边并联补偿电容C1；
原边并联补偿电感L2与原边并联补偿电容C1组成LC并联谐振网络；
原边串联补偿电容Cp与原边发射线圈Lp组成LC串联谐振网络1；
所述LC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络1并联；
所述逆变电路输出侧的两端分别与原边串联补偿电感L1和所述LC串联谐振网络1相连；
所述副边补偿网络包括副边串联补偿电容Cs，副边并联补偿电感L3，副边并联电感补偿电容C3，副边并联补偿电容C2；
副边并联补偿电感L3，副边并联电感补偿电容C3与副边并联补偿电容C2组成LCC并联谐振网络；
副边串联补偿电容Cs与副边接收线圈Ls组成LC串联谐振网络2；
所述LCC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络2串联；
所述整流电路的输入侧的两端分别与所述LC串联谐振网络2和LCC并联谐振网络相连。
根据给定系统的应用目标，包括系统的输入直流电压Vin＝120V、额定输出功率P＝450W、原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数k的变化范围0.16-0.35，原边补偿网络失谐，副边补偿网络谐振的无线电能传输系统的输出特性可以表示为：
Figure BDA0003920182690000051
其中，Xp为原边补偿网络的等效电抗，VAB为逆变器输出电压的基波有效值，Req为整流器输入端的等效交流电阻，其表达式为：
Figure BDA0003920182690000061
将系统的耦合系数范围分为高耦合范围(0.247-0.35)与低耦合范围(0.16-0.247)，并根据不同的耦合系数变化范围选取两个不同的开关频率f1，f2。
在高耦合范围，所述拓扑在开关频率f1下工作，此时副边补偿网络处于完全谐振状态，原边补偿网络中由L1和C1组成的并行支路可以等价于Ceq，可以表示为：
Figure BDA0003920182690000062
得到系统在开关频率f1工作时，等效拓扑结构为LCC-S补偿拓扑，如图2所示。
在低耦合范围，所述拓扑在开关频率f2下工作，此时副边补偿网络处于完全谐振状态，原边补偿网络中由L1和C1组成的并行支路同样处于谐振状态，其谐振条件为：
ω2 2L2C1＝1 (6)
可以得到系统在开关频率f2工作时，等效拓扑结构为S-S补偿拓扑，如图4所示。
通过将最小耦合系数对应的输出功率Pmin与最大耦合系数Pmax对应的输出功率相等来设计原边补偿网络，具体过程如下：
为了实现偏移范围kmin-kmax(kmax＝αkmin)的最大化，将最大耦合系数和最小耦合系数所对应的输出功率相等可以得到原边补偿网络的等效电抗为：
Figure BDA0003920182690000063
α为最大耦合系数与最小耦合系数的比值。
根据在两个不同的开关频率f1，f2下的完全谐振条件，设计副边补偿网络，具体过程如下：
在高耦合范围，所提拓扑在开关频率f1下工作，此时副边补偿网络的谐振条件为：
Figure BDA0003920182690000071
在低耦合范围，所提拓扑在开关频率f2下工作，此时副边补偿网络的谐振条件为：
Figure BDA0003920182690000072
根据不同的耦合范围，通过将最大输出功率与额定输出功率相等来设定在该耦合范围内输出功率的变化系数Fp，具体过程如下：
定义输出功率在耦合系数发生变化的过程中的变化系数Fp为：
Figure BDA0003920182690000073
在实际设计中，为了防止系统过压或过流，最大输出功率通常被设计为额定功率，可以得到在开关频率f1下最大输出功率(额定功率)为：
Figure BDA0003920182690000074
其中Vs为开关频率f1对应的LCC-S拓扑的原边等效戴维宁电路电压，如图3所示，Xp1为开关频率f1对应的LCC-S拓扑的原边等效戴维宁电路等效电抗，其值为：
Figure BDA0003920182690000075
将(11)代入(10)中，可以得到开关频率f1下功率的波动系数Fp1为：
Figure BDA0003920182690000076
在开关频率f2下最大输出功率(额定功率)为：
Figure BDA0003920182690000081
将(14)代入(10)中，可以得到开关频率f2下功率的波动系数Fp2为：
Figure BDA0003920182690000082
通过将两个不同的开关频率下的最大和最小输出功率彼此相等，并将高耦合范围的最小耦合系数kmin1与低耦合范围的最大耦合系数kmax2相等，得到系统的频率切换点，其设计约束为：
Figure BDA0003920182690000083
从而得到实验元件参数如表一所示：
表一系统实验元件参数
Figure BDA0003920182690000084
当实验样机的耦合系数发生变化时，输出功率测量结果如图5所示。
如图5所示，输出功率的变化范围在低耦合范围内为407W到455W，在高耦合范围内为414W到452W。在对应于两个开关频率下，所述可重构拓扑的输出功率的变化是一致的，即在整个耦合系数范围内(0.16-0.35)，功率变化系数低于10％。
当实验样机工作在开关频率f1，处于高耦合范围的最大偏移时，即耦合系数k＝0.247，工作频率为76kHz，具体波形如图6所示。
当实验样机工作在开关频率f1，发生低耦合范围的最小偏移时，即耦合系数k＝0.247、工作频率为80kHz，具体波形如图7所示。
由图6、7可以看出，实验样机在最大或最小耦合系数时，逆变器均可实现零电压开通。
因此，本发明提出的基于多谐振补偿的可重构拓扑可以实现较大偏移范围下系统输出功率的稳定。在较大的偏移范围下，所述可重构拓扑结构可以通过切换开关频率改变原边等效的补偿网络，同时保证副边补偿网络仍处于完全谐振状态。在不同开关频率下，原边等效的补偿网络分别为LCC补偿网络以及串联补偿网络。通过设计不同补偿网络下的功率与耦合系数的特性曲线，来实现在较大偏移范围下的稳定输出。在450W实验样机中，通过切换不同的开关频率，在0.16-0.35的耦合系数变化范围内输出功率的变化低于10％。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：包括原边补偿网络、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿网络；
所述原边补偿网络包括原边串联补偿电感L1、原边串联补偿电容Cp、原边并联补偿电感L2、原边并联补偿电容C1，原边并联补偿电感L2与原边并联补偿电容C1组成LC并联谐振网络；
原边串联补偿电容Cp与原边发射线圈Lp组成LC串联谐振网络1，所述LC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络1并联；
所述逆变电路输出侧的两端分别与原边串联补偿电感L1和所述LC串联谐振网络1相连；
所述副边补偿网络包括副边串联补偿电容Cs、副边并联补偿电感L3、副边并联电感补偿电容C3、副边并联补偿电容C2，所述副边并联补偿电感L3，副边并联电感补偿电容C3与副边并联补偿电容C2组成LCC并联谐振网络；
副边串联补偿电容Cs与副边接收线圈Ls组成LC串联谐振网络2；
所述LCC并联谐振网络与所述LC串联谐振网络2串联；
所述整流电路的输入侧的两端分别与所述LC串联谐振网络2和LCC并联谐振网络相连。
2.根据权利要求1所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：所述可重构拓扑具有两个工作频率f1、f2，并分别对应于不同的原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数k的变化范围。
3.根据权利要求2所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：所述逆变电路的开关频率处于所述两个工作频率f1、f2之一时，所述可重构拓扑处于原边失谐，副边谐振的状态。
4.根据权利要求2或3所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：
所述可重构拓扑工作在工作频率f1时，所述可重构拓扑可等效为LCC-S补偿拓扑；
所述可重构拓扑工作在工作频率f2时，所述可重构拓扑可等效为S-S补偿拓扑。
5.根据权利要求4所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：
所述可重构拓扑工作在工作频率f1时，所述等效LCC-S补偿拓扑的输出功率随耦合系数的降低，先增加后减少，其输出特性表达式为：
Figure FDA0003920182680000021
其中，ω为逆变器开关角频率；
k为原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数；
Lp、Ls分别为原边发射线圈Lp、副边接收线圈Ls的电感；
Xp1为原边LCC补偿网络的等效电抗，VAB为逆变器输出电压的基波有效值，Req为整流器输入端的等效交流电阻；
所述可重构拓扑工作在工作频率f2时，所述等效S-S补偿拓扑的输出功率随耦合系数的降低，先增加后减少，其输出特性表达式为：
Figure FDA0003920182680000022
其中，Xp2为原边串联补偿网络的等效电抗，VAB为逆变器输出电压的基波有效值，Req为整流器输入端的等效交流电阻。
6.根据权利要求1所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：所述原边并联补偿电感所在的支路上串联电容，该电容用于降低该原边并联补偿电感的感量。
7.根据权利要求1所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：所述的原边发射线圈与副边接收线圈由屏蔽、导磁磁芯以及利兹线或导线绕制的松耦合变压器组成。
8.根据权利要求7所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构，其特征在于：所述屏蔽使用铝板、铜板或钢板，所述导磁磁芯使用铁氧体、粉芯或非晶纳米晶材料。
9.一种无线电能传输系统，其特征在于：包括直流输入电源、逆变电路、权利要求1-8任一所述的基于多谐振补偿的无线电能传输可重构拓扑结构、整流电路以及负载。
10.根据权利要求9所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述逆变电路采用半桥逆变电路、全桥逆变电路、多电平逆变电路或推挽式逆变电路。
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CN117811233A (zh) * 2023-12-29 2024-04-02 浙江大学 一种全周转向式非接触电能传输连接器装置

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