CN115714542A - 一种用于无线充电系统的双边lcc补偿网络参数调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法。其步骤为：获取双边LCC补偿无线充电系统固有参数；将二次侧并联补偿电容拆分为两个子电容的等效并联；根据基本LC谐振网络的谐振条件和特性确定双边LCC补偿网络恒压调谐条件并计算恒压调谐下的充电电压；根据双边LCC补偿网络的电路结构特点确定恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件；根据系统固有参数、充电电压、恒压和零相位角的调谐条件计算双侧串并联补偿电容值。本发明根据双边LCC补偿网络参数设计自由度高的特点，仅通过补偿参数调谐即可实现其负载无关的恒压输出和零相位角运行，无需改变系统固有参数以及使用复杂控制和附加器件，效率高、成本低且易于实现。

Description

一种用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法
技术领域
本发明属于无线电能传输的技术领域，涉及一种双边LCC补偿网络参数调谐方法，特别是涉及一种用于无线充电系统的基于恒压输出的双边LCC补偿网络参数调谐方法，根据双边LCC补偿网络参数设计自由度高的特点，仅通过补偿参数调谐即可实现其负载无关的恒压输出和零相位角运行，而无需改变无线充电系统固有参数以及使用复杂控制和附加器件。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是一种利用电磁场为传输介质的供电技术。因其具有安全可靠、供电灵活、无机械磨损及环境适应性强等优点，近年来被广泛应用于电动汽车、无人机、消费电子和生物医学植入物等充电领域。
补偿网络是WPT系统中的重要组成部分，用于补偿松耦合变压器的漏感，减小电路的无功负荷，提高电能传输能力，其在很大程度上决定了系统的输出特性和效率。常见的补偿网络包括四种基本的低阶网络(S/S、S/P、P/S、P/P)以及一些高阶补偿网络(S/SP、PS/S、S/CLC、LCC/S、LCC/P、双边LCL、双边LCC)。其中双边LCC补偿网络采用双侧对称的结构，结合了串并联补偿的所有优点，具有高调谐自由度、低参数敏感度以及电压电流应力小等优点。在中、大功率无线充电场合中得到了广泛的应用。
在无线充电系统中，由于松耦合变压器的耦合系数较低，参数调谐方法对于补偿网络至关重要。一方面需要通过参数调谐实现恒压或恒流输出以满足电池充电的需求，另一方面需要通过参数调谐实现负载无关的零相位角运行以提高功率传输能力和效率。
中国发明专利CN 103746462 B提出了一种基于双边LCC补偿网络的无线电能传输系统及其方法。在该方法下，谐振频率不受松耦合变压器和负载变化的影响，可实现负载无关的恒流输出以及零相位角运行。然而，该方法无法实现负载无关的恒压输出以及零相位角运行。
文献[Y.Chen,H.Zhang,C.S.Shin,C.H.Jo,S.J.Park and D.H.Kim,"AnEfficiency Optimization-Based Asymmetric Tuning Method of Double-Sided LCCCompensated WPT System for Electric Vehicles,"in IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.35,no.11,pp.11475-11487,Nov.2020.]提出了一种基于效率优化的双边LCC补偿网络非对称参数调谐方法。该方法基于中国发明专利CN103746462B所提出参数调谐方法，在保证输出恒定和零相位角运行的前提下，通过对双边LCC补偿网络中双侧补偿电感系数的优化匹配提高了系统效率。然而，该方法下系统的输出依然是恒流的。
中国发明专利CN 109217496 B提出了一种无线电能传输系统中双边LCC补偿电路的参数分析方法。该方法通过参数调谐可实现双边LCC补偿拓扑负载无关的恒压输出，然而，由于该方法无法同时实现负载无关的零相位角运行，无功损耗和器件应力较大，系统效率较低。
目前，现有技术中尚无一种可同时实现双边LCC补偿网络恒压输出以及零相位角运行的参数调谐方法。为了实现这两个目标，通常的方法有两种：一、对系统前级逆变器采用跳频控制或变频移相控制；其缺陷是增加了系统的控制复杂度。二、在系统整流单元后端加入DC/DC变换器，然而该方法增加了系统的体积和成本，降低了效率。
发明内容
(一)发明目的
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提供了一种用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，该方案无需改变系统固有参数以及使用复杂控制和附加器件，利用双边LCC补偿网络参数调谐自由度高的特点，仅通过补偿参数调谐即可实现其负载无关的恒压输出以及零相位角运行，具有效率高、成本低且易于实现的技术优点。
(二)技术方案
本发明为实现其发明目的，所提出的技术方案如下：
一种用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，所述无线充电系统包括：输入侧直流电压源、高频全桥逆变器、一次侧串联补偿电感L1、一次侧并联补偿电容Cp1,一次侧串联补偿电容Cf1、一次侧发射线圈、二次侧发射线圈、二次侧串联补偿电感L2、二次侧并联补偿电容Cp2、二次侧串联补偿电容Cf2、输出侧全桥整流器以及负载RL，其特征在于，所述参数调谐方法至少包括如下步骤：
SS1.在所述无线充电系统中，指定如下系统固有参数：输入侧直流电压Udc，一次侧和二次侧发射线圈的自感值Lp、Ls和互感值M，谐振角频率ω0，一次侧和二次侧串联补偿电感Cf1、Cf2的电感值L1、L2；
SS2.在电路形式上将二次侧并联补偿电容Cp2拆分为两个子电容Cp21和Cp22的等效并联形式，即满足Cp2＝Cp21+Cp22；
SS3.根据基本LC谐振网络的谐振条件和特性，确定双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件并计算恒压调谐下的直流充电电压Ub；
SS4.根据双边LCC补偿网络的电路结构特点，确定双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件；
SS5.根据步骤SS1中指定的系统固有参数、步骤SS2中二次侧并联补偿电容Cp2与两个子电容Cp21和Cp22的等效并联关系、步骤SS3中双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件以及恒压调谐下的直流充电电压Ub，依次计算一次侧并联补偿电容Cp1、二次侧串联补偿电容Cf2以及二次侧并联补偿电容Cp2的电容值；
SS6.根据双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件，计算一次侧串联补偿电容Cf1的电容值。
优选地，步骤SS3中，所述双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件为：
ω0 2L1Cp1＝ω0 2LseCp21＝ω0 2L2Cp22＝1；
其中，Lse为双边LCC补偿网络中二次侧发射线圈自感Ls和二次侧串联补偿电容Cf2的等效串联电感，Cp21和Cp22为二次侧并联补偿电容Cp2形式拆分出的两个等效并联子电容。
进一步地，步骤SS3中，在恒压调谐条件下，直流充电电压与负载无关且保持恒定，所述双边LCC补偿网络恒压调谐下的直流充电电压为：
Figure BDA0003916286080000041
优选地，步骤SS4中，所述双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件为：
Figure BDA0003916286080000042
其中，Lpe为双边LCC补偿网络中一次侧发射线圈自感Lp和一次侧串联补偿电容Cf1的等效串联电感，Cp21和Cp22为二次侧并联补偿电容Cp2形式拆分出的两个等效并联子电容。
优选地，步骤SS5中，为了满足双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件，所述双边LCC补偿网络中一次侧并联补偿电容Cp1、二次侧并联补偿电容Cp2以及二次侧串联补偿电容Cf2的电容值计算方法为：
Figure BDA0003916286080000051
优选地，步骤SS6中，为了满足双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件，所述双边LCC补偿网络中一次侧串联补偿电容Cf1的电容值计算方法为：
Figure BDA0003916286080000052
(三)技术效果
与现有技术相比，本发明的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法具有如下有益效果：
(1)本发明提出的参数调谐方法，在不需要改变系统结构和预设系统级参数的条件下，根据输出电压参考值，仅通过参数调谐即可实现双边LCC补偿网络的恒压输出且输出电压不受负载变化的影响，解决了双边LCC补偿网络现有调谐方法下仅能实现恒流输出的问题。
(2)本发明提出的参数调谐方法，利用双边LCC补偿网络参数设计自由度高的特点，不仅可以实现负载无关的恒压输出满足电池充电需求，还能同时实现全负载范围内的零相位角运行，减小了系统无功功率，提升了效率和功率传输能力。
(3)本发明提出的参数调谐方法，可灵活调整输出恒压值，不依赖预设系统级参数，且无需使用复杂控制和额外器件，降低了系统的成本和复杂度。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为基于双边LCC补偿的无线充电系统示意图；
图2为本发明所提供的基于松耦合变压器T型耦合模型的双边LCC补偿网络等效电路；
图3为本发明所提供的双边LCC补偿网络的参数调谐方法流程示意图；
图4为本发明所提供的参数调谐方法下负载电阻RL为13欧时的实验波形；
图5为本发明所提供的参数调谐方法下负载电阻RL为130欧时的实验波形；
图6为本发明所提供的参数调谐方法下负载电阻RL从13欧渐变至130欧时的实验波形；
附图标记说明：
1-直流电压源，2-高频全桥逆变电路，3-一次侧LCC补偿网络，4-松耦合变压器，5-二次侧LCC补偿网络，6-全桥整流滤波电路，7-直流负载。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
本发明的目的是提供一种适用于无线充电系统中双边LCC补偿网络参数调谐方法，利用双边LCC补偿网络参数调谐自由度高的特点，实现负载无关的恒压输出和零相位角运行，降低成本和复杂度，提高效率。
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，双边LCC补偿的无线充电系统包括1-直流电压源、2-高频全桥逆变电路、3-一次侧LCC补偿网络、4-松耦合变压器、5-二次侧LCC补偿网络、6-全桥整流滤波电路、7-直流负载。其中，高频全桥逆变电路由4个功率开关管Q1～Q4组成，用于将直流母线电压Udc变换为输入侧交流方波电压uAB，满足
Figure BDA0003916286080000071
其中UAB为交流方波电压uAB的基波有效值。一、二次侧LCC补偿网络分别由两个补偿电感(L1、L2)和四个串并联补偿电容(Cp1、Cp2、Cf1、Cf2)组成。松耦合变压器由两个耦合线圈组成，Lp为一次侧线圈的自感，Ls为二次侧线圈的自感，M为耦合线圈之间的互感。全桥整流滤波电路由4个功率二极管D1～D4和1个输出滤波电容Co组成，用于将输出侧交流方波电压uab变换为直流充电电压Ub，满足
Figure BDA0003916286080000072
其中Uab为交流方波电压uab的基波有效值。
为了便于分析，可根据基波近似分析法和变压器等效模型对图1所示的系统电路进行等效简化，如图2所示。首先，将直流电压源和高频全桥逆变电路部分等效为一个交流电压源uAB，并将全桥整流滤波电路和直流负载RL部分等效为一个交流电阻，满足
Figure BDA0003916286080000073
然后，根据变压器理论建立松耦合变压器T型耦合模型，满足Lt＝Lp-M、Lr＝Ls-M。双边LCC补偿网络参数调谐方法流程示意图如图3所示，具体包括：
步骤一、在图1所示的双边LCC补偿无线充电系统中，指定输入侧直流母线电压Udc、一次侧和二次侧线圈的自感值Lp、Ls和互感值M、谐振角频率ω0以及一次侧和二次侧串联补偿电感的电感值L1、L2等系统级参数。
步骤二、在图2所示的双边LCC补偿网络等效电路中，为了满足双边LCC补偿网络恒压输出条件下的电路结构，在不改变固有电路结构和步骤一中已确定参数的条件下，将二次侧并联补偿电容Cp2在电路形式上拆分为两个子电容Cp21和Cp22的等效并联形式，即满足Cp2＝Cp21+Cp22。
步骤三、在图2所示的双边LCC补偿网络等效电路中，根据基本LC谐振网络的谐振条件和特性确定双边LCC补偿网络负载无关恒压输出的调谐条件，即满足：
ω0 2L1Cp1＝ω0 2LseCp21＝ω0 2L2Cp22＝1；
上式中，Lse为双边LCC补偿网络中二次侧线圈自感Ls和二次侧串联补偿电容Cf2的等效串联电感，即满足：Lse＝Ls-1/(ω0 2Cf2)。同时，根据基本LC谐振网络的谐振特性和双边LCC补偿系统输入和输出侧交直流电压转换关系可计算出双边LCC补偿网络恒压调谐下的直流充电电压，即：
Figure BDA0003916286080000081
步骤四、根据双边LCC补偿网络的电路结构特点确定双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件为：
Figure BDA0003916286080000082
上式中，Lpe为双边LCC补偿网络中一次侧线圈自感Lp和一次侧串联补偿电容Cf1的等效串联电感，即满足：Lpe＝Lp-1/(ω0 2Cf1)。
步骤五、根据步骤一中指定的系统级参数、步骤二中所述的二次侧并联补偿电容Cp2与两个子电容Cp21和Cp22的等效并联关系、步骤三中所述的双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件以及恒压调谐下的直流充电电压表达式，可依次计算一次侧并联补偿电容Cp1、二次侧串联补偿电容Cf2以及二次侧并联补偿电容Cp2的电容值：
Figure BDA0003916286080000091
步骤六、根据步骤一中指定的系统级参数以及步骤四中所述的双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件，可计算一次侧串联补偿电容Cf1的电容值：
Figure BDA0003916286080000092
至此，在所述的双边LCC补偿网络恒压调谐方法下，双边LCC补偿网络中的4个谐振补偿电容值已全部确定。
为了验证本发明的有效性，进行了不同条件下的验证实验，实验结果如图4至图6所示。系统级参数指定如下：输入侧直流母线电压Udc为300V，一次侧和二次侧线圈的自感值Lp和Ls均为40μH，耦合线圈的互感值M为6.695μH，输出侧直流充电电压Ub为165V，系统谐振角频率ω0为85kHz，一次侧和二次侧串联补偿电感的电感值L1和L2均为20μH。
根据指定的系统级参数以及步骤五和六所述，双边LCC补偿网络4个谐振补偿电容值设定如下：Cp1为175nF，Cp2为463nF，Cf1为341nF，Cf2为126nF。
图4为直流负载电阻RL为13欧时，直流充电电压Ub、直流充电电流Ib、高频全桥逆变器输出交流电压uAB和交流电流iin的波形。图5为直流负载电阻RL为13欧时，直流充电电压Ub、直流充电电流Ib、高频全桥逆变器输出交流电压uAB和交流电流iin的波形。图6为直流负载电阻RL由13欧渐变至130欧时，直流充电电压Ub、直流充电电流Ib、高频全桥逆变器输出交流电压uAB和交流电流iin的波形。由实验结果可以看出：在负载大范围变动条件下，直流充电电压可保持恒定，且在整个负载范围内均实现了零相位角运行。该实验结果验证了本发明所提参数调谐方法的有效性。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，所述无线充电系统包括：输入侧直流电压源、高频全桥逆变器、一次侧串联补偿电感L1、一次侧并联补偿电容Cp1、一次侧串联补偿电容Cf1、一次侧发射线圈、二次侧发射线圈、二次侧串联补偿电感L2、二次侧并联补偿电容Cp2、二次侧串联补偿电容Cf2、输出侧全桥整流器以及负载RL，其特征在于，所述参数调谐方法至少包括如下步骤：
SS1.在所述无线充电系统中，指定如下系统固有参数：输入侧直流电压Udc，一次侧和二次侧发射线圈的自感值Lp、Ls和互感值M，谐振角频率ω0，一次侧和二次侧串联补偿电感Cf1、Cf2的电感值L1、L2；
SS2.在电路形式上将二次侧并联补偿电容Cp2拆分为两个子电容Cp21和Cp22的等效并联形式，即满足Cp2＝Cp21+Cp22；
SS3.根据基本LC谐振网络的谐振条件和特性，确定双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件并计算恒压调谐下的直流充电电压Ub；
SS4.根据双边LCC补偿网络的电路结构特点，确定双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件；
SS5.根据步骤SS1中指定的系统固有参数、步骤SS2中二次侧并联补偿电容Cp2与两个子电容Cp21和Cp22的等效并联关系、步骤SS3中双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件以及恒压调谐下的直流充电电压Ub，依次计算一次侧并联补偿电容Cp1、二次侧串联补偿电容Cf2以及二次侧并联补偿电容Cp2的电容值；
SS6.根据双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件，计算一次侧串联补偿电容Cf1的电容值。
2.根据权利要求1所述的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，其特征在于，步骤SS3中，所述双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件为：
ω0 2L1Cp1＝ω0 2LseCp21＝ω0 2L2Cp22＝1；
其中，Lse为双边LCC补偿网络中二次侧发射线圈自感Ls和二次侧串联补偿电容Cf2的等效串联电感，Cp21和Cp22为二次侧并联补偿电容Cp2形式拆分出的两个等效并联子电容。
3.根据权利要求1或2所述的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，其特征在于，步骤SS3中，在恒压调谐条件下，直流充电电压与负载无关且保持恒定，所述的双边LCC补偿网络恒压调谐下的直流充电电压为：
Figure FDA0003916286070000021
4.根据权利要求1或3所述的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，其特征在于，步骤SS4中，所述的双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件为：
Figure FDA0003916286070000022
其中，Lpe为双边LCC补偿网络中一次侧线圈自感Lp和一次侧串联补偿电容Cf1的等效串联电感，Cp21和Cp22为二次侧并联补偿电容Cp2形式拆分出的两个等效并联子电容。
5.根据权利要求1或4所述的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，其特征在于，步骤SS5中，为了满足双边LCC补偿网络恒压输出的调谐条件，所述双边LCC补偿网络中一次侧并联补偿电容Cp1、二次侧并联补偿电容Cp2以及二次侧串联补偿电容Cf2的电容值计算方法为：
Figure FDA0003916286070000031
6.根据权利要求1或5所述的用于无线充电系统的双边LCC补偿网络参数调谐方法，其特征在于，步骤SS6中，为了满足双边LCC补偿网络恒压调谐下输入阻抗零相位角的调谐条件，所述双边LCC补偿网络中一次侧串联补偿电容Cf1的电容值计算方法为：
Figure FDA0003916286070000032
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