CN115864665A - 一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的ec-wpt系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电场耦合式无线电能传输(EC‑WPT)技术领域，具体公开了一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC‑WPT系统，其原边谐振网络采用由电感L₁、电容C₁组成的LC谐振网络，其副边谐振网络采用由电容C₂、电感L₂与电感L₃组成的П型谐振网络。本系统采用LC‑CLL谐振网络，并基于此设计了使系统同时具有抗偏移特性和恒流输出特性的网络参数，不仅在负载变化的情况下能够实现恒流输出，在耦合机构发生偏移的情况下，仍然可以实现恒流输出。而在耦合机构没有发生偏移的情况下，系统能够实现ZPA运行，在耦合机构发生较大偏移下，系统的输入阻抗角较小，能保证系统具有较高的功率因数，减少无功损耗。

Description

一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统

技术领域

本发明涉及电场耦合式无线电能传输(Electric-field Coupled WirelessPower Transfer,EC-WPT)技术领域，尤其涉及一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)，指的是综合应用电力电子和控制等相关理论与技术，实现电能从电网或电池通过某种载体(如电场、磁场、微波、激光等)以非电气接触模式传输给用电设备。根据传输机理的不同，可分为磁耦合式无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT)、电场耦合式无线电能传输(Electric-field Coupled Wireless Power Transfer,EC-WPT)、微波式无线电能传输(Microwave Power Transfer,MPT)、激光式无线电能传输(Laser Power Transfer,LPT)等几种。其中，EC-WPT系统的具有以下优点：耦合机构简易轻薄、形状易变并且整体的成本低；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，导体产生涡流损耗较小等。因此，EC-WPT技术引起了国内外专家的广泛关注。

在EC-WPT技术的应用中，大多数无线供电设备工作时，例如电动汽车，要求系统工作时输出电流恒定以保证其工作性能和安全性。然而，用电设备在充电过程中，其移动会引起耦合机构发生偏移或传输距离改变，从而影响耦合机构的耦合电容的大小；除此之外，用电设备的负载大小在工作过程中也不是恒定不变的。此需要EC-WPT系统的输出电流在耦合电容和负载变化时不发生明显的变化。

针对上述要求，文献[1]基于双边LC谐振网络，提出了可以使系统实现恒流输出的参数设计方法；文献[2]提出了一种F-T谐振网络，系统通过合理的参数配置，使系统具有恒流输出特性。文献[3]基于LC-LCLC谐振网络，提出了一种可以实现恒流输出的参数设计方法。上述文献中所提出的方法只能保证在负载变化的情况实现恒流输出，当耦合机构发生偏移时，会严重影响其恒流输出特性。

[1]Lian J,Qu X.Design of a Double-Sided LC Compensated CapacitivePower Transfer System With Capacitor Voltage Stress Optimization[J].IEEETransactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,2020,67(4):715-719.

[2]苏玉刚,谢诗云,王智慧,等.基于F-F/T变结构谐振网络的恒压-恒流型电场耦合电能传输系统[J].电工技术学报,2019,34(06):1127-1136.

[3]廖志娟,周磊,吴镇,魏国玉,夏晨阳.变结构LC-CLCL拓扑恒压恒流型电场耦合电能传输系统[J].中国电机工程学报,2021,41(17):6039-6050.

发明内容

本发明提供一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，解决的技术问题在于：现有方法可以保证在负载变化的情况实现EC-WPT系统的恒流输出，而当耦合机构发生偏移时，无法兼顾其恒流输出特性以及高功率因数。

为解决以上技术问题，本发明提供一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，包括直流源、逆变器、原边谐振网络、耦合机构、副边谐振网络、整流滤波电路和负载等效电阻R_L，所述耦合机构包括相对的发射极板P1和接收极板P3以及相对的发射极板P2和接收极板P4，所述原边谐振网络采用由电感L₁、电容C₁组成的LC谐振网络，所述副边谐振网络采用由电容C₂、电感L₂与电感L₃组成的П型谐振网络，电感L₂连接在电容C₂与电感L₃之间；

电感L₁、电容C₁、电容C₂、电感L₂与电感L₃满足：

ω²L₁C₁＝1，ω²C₂(L₂+L₃)＝1，

在忽略电感内阻和电容的等效串联电阻的情况下，

分别代表电感L₁和电容C₁的阻抗，/>

分别代表电容C₂、电感L₂和电感L₃的阻抗，ω代表系统的工作角频率。

具体的，假设C₁＝αC_s，C₂＝βC_s，L₂＝γL₃，α表示电容C₁与等效电容C_s之间的比例系数，β表示电容C₂与等效电容C_s之间的比例系数，γ表示电感L₂与电感L₃之间的比例系数，则比例系数α、β、γ满足(β-γ)α+β＝0。

具体的，系统的参数设计流程包括如下步骤：

S1、根据工程经验设定系统的工作频率；

S2、根据实际要求确定系统输入电压E_dc与系统输出电流I_L的设定值，以及根据耦合机构确定耦合机构的等效电容C_s的大小；

S3、根据E_dc、I_L以及

确定α与γ的关系，u_in表示所述逆变器的瞬时输出电压，/>

表示所述П型谐振网络的输出电流向量，I_o表示/>

的有效值，/>

表示所述逆变器的输出电压向量，t表示时间；

S4、根据(β-γ)α+β＝0以及

分析等效电容C_s、α与系统的输入阻抗角/>

之间的关系，C_s'＝C_s+ΔC代表所述耦合机构发生偏移时的等效电容，ΔC代表耦合电容偏移量，此时α变为/>

β变成/>

整流滤波器和负载等效电阻R_L等效成电阻R_eq；

S5、根据输入阻抗角的需求取α的值；

S6、得出一组满足条件的L₁、C₁、C₂、L₂和L₃的参数值。

具体的，C_s＝C_s1C_s2/(C_s1+C_s2)，C_s1代表正对的发射极板P1与接收极板P3之间形成的耦合电容，C_s2代表正对的发射极板P2和接收极板P4之间形成的耦合电容。

具体的，R_eq＝8R_L/π²。

具体的，系统输出电流恒为：

具体的，所述全桥型逆变电路由4个MOSFET组成。

具体的，所述整流滤波电路由四个二极管和滤波电容C_f组成。

本发明提供的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，采用LC-CLL谐振网络，并基于此设计了使系统同时抗偏移和具有恒流输出特性的网络参数，与其它具有恒流输出特性的谐振网络相比，本发明具有如下优点：

1)不仅在负载变化的情况下能够实现恒流输出，在耦合机构发生偏移的情况下，仍然可以实现恒流输出。

2)在耦合机构没有发生偏移的情况下，系统能够实现ZPA运行，在耦合机构发生较大偏移下，系统的输入阻抗角较小，能保证系统具有较高的功率因数，减少无功损耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统的拓扑结构图；

图2是本发明实施例提供的图1的系统等效电路图；

图3是本发明实施例提供的突出LC谐振网络的图2的系统等效电路图；

图4是本发明实施例提供的突出CLL谐振网络的图2的系统等效电路图；

图5是本发明实施例提供的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统的参数设计流程图；

图6是本发明实施例提供的参数α、C_s和输入阻抗角关系图；

图7是本发明实施例提供的耦合机构正对时(C_s＝200pF)输出电压电流波形图；

图8是本发明实施例提供的系统逆变输出电压电流波形图；

图9是本发明实施例提供的耦合机构偏移时输出电流波形图；

图10是本发明实施例提供的耦合机构偏移情况下系统逆变输出电压电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

本发明实施例提供一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，如图1的电路图所示，包括直流源(E_dc是直流输入电压)、逆变器(由4个MOSFET S₁-S₄组成)、原边谐振网络、耦合机构、副边谐振网络、整流滤波电路(由四个二极管D₁-D₄和滤波电容C_f组成)和负载等效电阻R_L。耦合机构包括相对的发射极板P1和接收极板P3以及相对的发射极板P2和接收极板P4。两正对极板P1-P3和P2-P4分别形成耦合电容C_s1和C_s2。原边谐振网络采用由电感L₁、电容C₁组成的LC谐振网络，副边谐振网络采用由电容C₂、电感L₂与电感L₃组成的П型谐振网络，电感L₂连接在电容C₂与电感L₃之间。

直流电源经过高频逆变器产生高频电压，通过发射端LC网络滤波，同时将电压泵升至耦合机构所需要的高激励电压，当耦合机构接收极板放置在发射极板附近时，两极板之间产生交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流“流过”极板，实现电能的无线传输。整流滤波器将交流电转化为直流电给用电设备供电。

在图1所示的拓扑中，通常电感的内阻和电容的等效串联电阻相对自身阻抗来说较小，为了简化分析，可以忽略电感内阻和电容的等效串联电阻，系统可以等效成图2所示的电路。图1中的整流滤波器和负载R_L可以等效成电阻R_eq，满足R_eq＝8R_L/π²；耦合机构的等效电容C_s＝C_s1C_s2/(C_s1+C_s2)，u_in是逆变瞬时输出电压，i₁、i_s、i₂、i_o分别是流过电感L₁、电容C_s、电感L₂和电阻R_eq的电流，u_o表示系统的输出电压。

由于系统的谐振补偿网络可以滤除大部分的高次谐波，因此可以采用基波近似法简化分析可得：

其中ω是系统工作角频率，与工作频率f之间满足ω＝2πf。同理，整流和滤波电路输入端电流的有效值I_o与输出端电流I_L有效值有如下关系：

系统发射端为LC谐振网络，其示意图如图3所示。逆变输出电压作为LC谐振网络的输入u_in，图中R_o1表示后级电路的等效输入阻抗。

根据基尔霍夫电压定律，得出该电路输出电流与输入电压的关系有：

其中

分别代表电感L₁和电容C₁的阻抗，当/>

与/>

满足式(4)时，

由式(3)可得：

由式(5)可知，在给定恒压源

激励下，当参数满足式(4)中的谐振条件时，LC谐振网络输出电流/>

与后级电路无关，输出电流大小由输入电压和电感L₁的阻抗决定。

接收端CLL谐振网络如图4所示。

分析该电路在忽略电感内阻和电容的等效串联电阻的情况下，可得图4的输出电流

与输入电流/>

的关系有：

其中

分别代表电容C₂、电感L₂和电感L₃的阻抗，当/>

与/>

满足式(7)时，

由式(6)可得：

由式(8)可知，当接收端CLL谐振网络(П型谐振网络)在给定恒流源激励的情况下，当参数满足式(7)中的谐振条件时，其输出电流

大小与负载无关。

基于上述分析，假设整个系统的工作频率为ω，且系统同时满足式(4)和式(7)中的谐振条件时，即参数满足

ω²L₁C₁＝1 (9)

ω²C₂(L₂+L₃)＝1 (10)

系统输出电流为：

由式(11)可以看出，系统输出电流与系统耦合机构等效电容C_s无关，同时也与负载电阻R_eq无关，因此系统在耦合机构发生偏移和负载变化时，能够实现恒流输出。

本实施例的输入阻抗角为图2所示等效电路的输入端口的阻抗角。实际应用中，如果系统输入阻抗角太大，则功率因数小，导致无功损耗较大，传输效率低。因此，对系统输入阻抗角进行分析，使系统工作时具有较小的输入阻抗角。

假设C₁＝αC_s，C₂＝βC_s，L₂＝γL₃，根据式(9)、式(10)有：

α表示电容C₁与等效电容C_s之间的比例系数，β表示电容C₂与等效电容C_s之间的比例系数，γ表示电感L₂与电感L₃之间的比例系数。

将式(12)、式(13)与式(14)带入式(10)中，可得

利用基尔霍夫电压定律分析整个电路有：

解得：

/>

当(17)式虚部为0时，输入阻抗角为0，整个系统工作在ZPA状态下，此时α、β、γ之间的关系为：

(β-γ)α+β＝0 (18)

根据上述分析可知，当系统耦合机构正对，且各参数满足式(12)式(13)与式(18)条件时，系统工作在ZPA下。然而，当耦合机构发生偏移时，耦合机构等效电容变为C_s'＝C_s+ΔC，ΔC代表耦合电容偏移量，此时：

(β'-γ)α'+β'＝0不再成立，系统无法实现ZPA，其输入阻抗角为：

由上述分析可知，当耦合机构发生偏移时，无法保证系统运行在ZPA状态，而较大的输入阻抗角会增加元件的伏安额定值，增加系统的无功损耗，降低系统的传输效率。为了保证系统的性能，在下文系统参数设计过程中应当确保当耦合机构发生偏移时，系统输入阻抗角尽可能小。

本文根据应用场景确定系统输入电压、系统输出电流，根据耦合机构的尺寸来确定耦合机构的等效耦合电容。目前大多数EC-WPT系统的工作频率都在500kHz～2MHz范围内，工作频率过大，系统的动态损耗和电磁干扰较大；频率太小会导致系统的补偿电感较大，系统的品质因数和功率密度较低。此外，如果耦合机构的等效耦合电容较大，工作频率可以设计得较小，如果耦合机构等效耦合电容太小，工作频率则要取得更大。根据上述分析及工程具体需求，在500kHz～2MHz范围内对频率进行合理的取值。系统参数设计流程图如图5所示。

目前锂电池的额定输入输出多为96V/2A、72V/2A、48V/2A，以系统输入电压72V和恒定输出电流2A为例，耦合机构电容参数取200pF，系统工作频率根据工程经验取f＝1MHz，根据式子(2)(15)(18)(21)可以得到参数α，C_s和输入阻抗角的关系如图6所示，根据图6可以发现在α≤3时，耦合机构电容值在200pF±50％范围内变化，系统输入阻抗角仅在-5°～5°之间变化，在可接受范围内。此外，C₁如果太小，发射端的补偿电感L₁较大，会增大系统体积，减小功率密度，因此期望系统在条件满足的情况下，C₁足够大。又因为有C₁＝αC_s，所以取α＝3。

根据前述参数设计方法，可得到一组系统仿真参数如表1所示。

表1系统仿真参数

根据表1中的参数，使用MATLAB/Simulink平台建立了系统仿真模型。当耦合机构没有偏移时，即C_s＝200pF，在仿真过程中变负载阻值得到仿真结果如图7所示。负载电阻值从30Ω切换至60Ω的过程中，负载电流从1.991A变化到1.893A，负载电阻值从60Ω切换至30Ω的过程中，负载电流从1.893A变化到2.023。因此，当负载电阻变化50％时，负载电流仅有6.5％的变化，具有较好的恒流效果。负载电阻30Ω情况下对应的逆变输出电流电压波形如图8(a)所示，负载电阻60Ω情况下对应的逆变输出电流电压波形如图8(b)所示。由图8可知，在电阻变化的情况下，系统都处于ZPA状态，与前述理论分析一致。

当耦合机构发生±25％的偏移量时，即等效耦合电容C_s分别为250pF和150pF。图9是等效耦合电容分别为250pF、200pF和150pF三种情况下输出电流i_L的仿真波形图。在0.01s时负载电阻从30Ω变化到60Ω，在0.025s时负载电阻从60Ω变化到30Ω。从图9可以看出三种情况下仿真波形近乎重叠，从右下方时间从0.016s到0.017s放大图可以发现，三种情况下电流仅有5％的差距，因此耦合机构偏移对输出电流的影响很小，系统抗偏移性能强。表2列出了耦合机构分别偏移-25％，正对与偏移+25％三种情况下，负载电阻从30Ω变到60Ω，再从60Ω变回30Ω时，分别对应的输出电流大小，其电流最大变化仅有7.25％。

表2不同耦合机构参数对应不同负载时输出电流值

在耦合机构偏移±25％时的逆变输出电压电流波形如图10所示，其中图10(a)中C_S＝150pF，图10(b)中C_S＝250pF。可以看出耦合机构即使偏移±25％的情况下，逆变输出电压电流相位差变化不到5°，与理论值相符。

综上，本发明实施例提供的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，采用LC-CLL谐振网络，并基于此设计了使系统同时抗偏移和具有恒流输出特性的网络参数，与其它具有恒流输出特性的谐振网络相比，本发明具有如下优点：

1)不仅在负载变化的情况下能够实现恒流输出，在耦合机构发生偏移的情况下，仍然可以实现恒流输出。

2)在耦合机构没有发生偏移的情况下，系统能够实现ZPA运行，在耦合机构发生较大偏移下，系统的输入阻抗角较小，能保证系统具有较高的功率因数，减少无功损耗。

通过MATLAB/Simulink的仿真验证，本系统模型在负载发生50％的扰动下，耦合机构偏移25％时仍具有较好的恒流效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，包括直流源、逆变器、原边谐振网络、耦合机构、副边谐振网络、整流滤波电路和负载等效电阻R_L，所述耦合机构包括相对的发射极板P1和接收极板P3以及相对的发射极板P2和接收极板P4，其特征在于：

所述原边谐振网络采用由电感L₁、电容C₁组成的LC谐振网络，所述副边谐振网络采用由电容C₂、电感L₂与电感L₃组成的П型谐振网络，电感L₂连接在电容C₂与电感L₃之间；

电感L₁、电容C₁、电容C₂、电感L₂与电感L₃满足：

ω²L₁C₁＝1，ω²C₂(L₂+L₃)＝1，

在忽略电感内阻和电容的等效串联电阻的情况下，

分别代表电感L₁和电容C₁的阻抗，/>

分别代表电容C₂、电感L₂和电感L₃的阻抗，ω代表系统的工作角频率。

2.根据权利要求1所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于，假设C₁＝αC_s，C₂＝βC_s，L₂＝γL₃，α表示电容C₁与等效电容C_s之间的比例系数，β表示电容C₂与等效电容C_s之间的比例系数，γ表示电感L₂与电感L₃之间的比例系数，则比例系数α、β、γ满足(β-γ)α+β＝0。

3.根据权利要求2所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于，系统的参数设计流程包括如下步骤：

S1、根据工程经验设定系统的工作频率；

S2、根据实际要求确定系统输入电压E_dc与系统输出电流I_L的设定值，以及根据耦合机构确定耦合机构的等效电容C_s的大小；

S3、根据E_dc、I_L以及

确定α与γ的关系，u_in表示所述逆变器的瞬时输出电压，/>

表示所述П型谐振网络的输出电流向量，I_o表示/>

的有效值，/>

表示所述逆变器的输出电压向量，t表示时间；

S4、根据(β-γ)α+β＝0以及

分析等效电容C_s、α与系统的输入阻抗角/>

之间的关系，C_s'＝C_s+ΔC代表所述耦合机构发生偏移时的等效电容，ΔC代表耦合电容偏移量，此时α变为/>

β变成/>

整流滤波器和负载等效电阻R_L等效成电阻R_eq；

S5、根据输入阻抗角的需求取α的值；

S6、得出一组满足条件的L₁、C₁、C₂、L₂和L₃的参数值。

4.根据权利要求3所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于：C_s＝C_s1C_s2/(C_s1+C_s2)，C_s1代表正对的发射极板P1与接收极板P3之间形成的耦合电容，C_s2代表正对的发射极板P2和接收极板P4之间形成的耦合电容。

5.根据权利要求3所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于：R_eq＝8R_L/π²。

6.根据权利要求4所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于，系统输出电流恒为：

7.根据权利要求1所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于：所述全桥型逆变电路由4个MOSFET组成。

8.根据权利要求1所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统，其特征在于：所述整流滤波电路由四个二极管和滤波电容C_f组成。

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