CN116191691A - 电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 - Google Patents
电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116191691A CN116191691A CN202310250323.5A CN202310250323A CN116191691A CN 116191691 A CN116191691 A CN 116191691A CN 202310250323 A CN202310250323 A CN 202310250323A CN 116191691 A CN116191691 A CN 116191691A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- winding
- support plate
- compensation
- coil
- electric field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 104
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 375
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 claims abstract description 63
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 33
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 33
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 32
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 23
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
- H05K7/20136—Forced ventilation, e.g. by fans
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
Abstract
本申请公开了一种电场式无线输电双边MC补偿系统及设计方法、装置及设计方法，该系统包括逆变器、耦合器、整流器与MC补偿网络，MC补偿网络包括原边补偿网络与副边补偿网络，通过原边补偿网络将逆变器与耦合器连接，通过副边补偿网络将耦合器与整流器连接；其中，原边补偿网络包括一次绕组与第一电容，一次绕组包括第一绕组与第二绕组，第一绕组的绕组线圈与第二绕组的绕组线圈首尾相连形成一次绕组，一次绕组的输入端与逆变器连接，一次绕组的输出端与耦合器的第一输入端连接，一次绕组的公共端与第一电容连接，第一电容的另一端分别与逆变器和耦合器的第二输入端连接。本申请减少了补偿网络元件的数量，兼具较高的集成度和大功率传输能力。
Description
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种电场式无线输电双边MC补偿系统及设计方法、补偿装置及设计方法。
背景技术
随着现代电力电子控制技术、大功率电能变换技术、第三代半导体技术的成熟，近十余年来，无线电能传输实现了颠覆性的发展，在传输功率、传输效率、传输距离方面均取得了显著的提升。目前，为实现无线电能传输技术，有两种普遍的方法，一种叫做感应式无线电能传输(Inductive power transfer,IPT)，其通过耦合器的线圈来感应产生磁场，而线圈是等效成电感的，一般情况下通过在补偿网络中增加电容进行补偿。另一种叫做电场式无线电能传输(Capacitive power transfer,CPT)，依靠耦合器的极板来产生电场，而极板等效成电容。电场式无线电能传输通过对金属极板施加高频电场激励，在原副边电场谐振的状态下实现电能传输，具有强抗偏移性、高可靠性、成本低廉的优点。
一个完整的电场式无线电能传输系统由逆变器、补偿网络、耦合器、整流器构成，其中补偿网络由原边补偿网络和副边补偿网络两部分组成。补偿网络在电场式无线电能传输系统中起着很重要的作用，通过补偿网络的谐振作用，补偿耦合器的无功功率，提升极板电压，从而提升系统的传输功率和效率。
在电场式无线电能传输系统中，以LC补偿网络为代表的低阶补偿网络具有元件少、结构简单的特点，因此成本较低、体积紧凑，但由于耦合器的电容很小，因此低阶补偿网络传输特性较差，多用于小功率传输。在新能源汽车无线充电等大功率应用中，常采用高阶补偿网络，例如LCLC、LCL、CLLC、EFR等，在高阶补偿网络中，计算出耦合器的等效电容，通过多个电感和电容的组合补偿来提升整个系统的传输功率，因而在大功率充电时表现出很好的特性。但也带来了体积较大、成本较高的缺点，难以实现高度集成。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种电场式无线输电双边MC补偿系统及设计方法、装置及设计方法，减少了补偿网络元件的数量，并且兼具较高的集成度和大功率传输能力。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种电场式无线输电双边MC补偿系统，该系统包括逆变器、耦合器、整流器与MC补偿网络，所述MC补偿网络包括MC原边补偿网络与MC副边补偿网络，通过所述MC原边补偿网络将逆变器与耦合器连接，通过所述MC副边补偿网络将耦合器与整流器连接；其中，
MC原边补偿网络包括一次绕组与第一电容，所述一次绕组包括第一绕组与第二绕组，所述第一绕组的绕组线圈与所述第二绕组的绕组线圈首尾相连形成一次绕组，所述一次绕组的输入端与逆变器连接，所述一次绕组的输出端与耦合器的第一输入端连接，所述一次绕组的公共端与第一电容连接，所述第一电容的另一端分别与逆变器和耦合器的第二输入端连接；
MC副边补偿网络包括二次绕组与第二电容，所述第二电感包括第三绕组与第四绕组，所述第三绕组的绕组线圈与所述第四绕组的绕组线圈首尾相连形成二次绕组，所述二次绕组的输入端与耦合器的第一输出端连接，所述二次绕组的输出端与整流器连接，所述二次绕组的公共端与第二电容连接，所述第二电容的另一端分别与整流器和耦合器的第二输出端连接。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种电场式无线输电双边MC补偿装置，该装置包括一次绕组，所述一次绕组包括第一绕组与第二绕组，所述第一绕组包括第一绕组骨架与第一绕组线圈，所述第二绕组包括第二绕组骨架与第二绕组线圈，第一绕组线圈缠绕在第一绕组骨架上，第二绕组线圈缠绕在第二绕组骨架上；所述第一绕组设置于第二绕组的内部，所述第一绕组线圈的首部与所述第二绕组线圈的尾部相连。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，还包括第一绕组支撑板、第二绕组支撑板、上绕组距离调节柱与下绕组距离调节柱；所述第一绕组骨架放置于第一绕组支撑板上，所述第二绕组骨架放置于第二绕组支撑板上；
所述上绕组距离调节柱与下绕组距离调节柱的安装位置可根据第一绕组支撑板与第二绕组支撑板的相对位置进行调节，具体包括：当第一绕组支撑板在第二绕组支撑板靠近第一绕组骨架一侧时，上绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板和第二绕组支撑板之间，下绕组距离调节柱安装在第二绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧；当第一绕组支撑板在第二绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧时，上绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板和第二绕组支撑板之间，下绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，还包括散热风扇、散热风扇支撑板、底部支撑板、风扇调节柱与底部支撑柱，所述散热风扇固定于所述散热风扇支撑板底部，所述风扇调节柱安装于所述散热风扇支撑板与底部支撑板之间。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，所述第一绕组骨架与所述第二绕组骨架为中空的圆柱体，且所述第一绕组骨架的直径小于所述第二绕组骨架的直径。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法，该方法包括以下步骤：
确定无线输电双边MC补偿系统的传输功率、输入电压与输出电压；
对耦合器进行等效的电容的测量与计算，并确定无线输电双边MC补偿系统的逆变器与整流器的形式，以及无线输电双边MC补偿系统的工作频率；
建立无线输电双边MC补偿系统的等效电路模型，并根据等效电路模型列出等效电路的电压电流关系方程式；
计算MC补偿网络的谐振条件，以及MC补偿网络与耦合器等效电容之间的谐振条件，并根据上述谐振条件与等效电路的电压电流关系方程式得到无线输电双边MC补偿系统的传输功率表达式；
对所述传输功率表达式进行求解得到MC补偿网络的参数，并验证传输功率是否满足要求，若不满足要求，则重新调整MC补偿网络的参数。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法，其中，所述无线输电双边MC补偿系统的等效电路模型为：将所述耦合器电容拆分为等效互电容、等效原边自电容与等效副边自电容，以及将一次绕组与二次绕组等效为呈T型排列的三个等效电感。
按照本发明的第四个方面，还提供了一种电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，该方法包括以下步骤：
根据设计需求与无线输电双边MC补偿系统各元件参数确定第一绕组电感值、第二绕组电感值，以及第一绕组与第二绕组之间的耦合系数；
根据第一绕组电感值确定第一绕组线圈的直径和匝数，并根据第一绕组线圈的直径确定第一绕组骨架的直径；
第一绕组制作完成后测量其电感值，并计算误差，若误差超过绕组误差阈值，则通过调整线圈匝数改变其电感值；
重复上述步骤进行第二绕组的制作与误差调整；
误差调整完成后测量第一绕组与第二绕组之间的耦合系数，若耦合系数测量值的误差超过耦合系数误差阈值，则通过调整绕组距离调节柱的高度减小误差。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，其中，还包括：
若第一绕组或第二绕组的电感测量值大于设计值，则减少绕组线圈匝数，若第一绕组或第二绕组的电感测量值小于设计值，则增加线圈匝数。
进一步地，上述电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，其中，所述若耦合系数测量值的误差超过耦合系数误差阈值，则通过调整绕组距离调节柱的高度减小误差，具体包括：
若所述耦合系数的测量值大于设置值，则增加上绕组距离调节柱高度或减小下绕组距离调节柱高度；若所述耦合系数的测量值小于设计值，则减小上绕组距离调节柱高度或增加下绕组距离调节柱高度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的电场式无线输电双边MC补偿系统及设计方法，通过设计第一绕组与第二绕组，并将第一绕组的线圈与第二绕组的线圈首尾相连分别形成原边的一次绕组与副边的二次绕组，在一次绕组与二次绕组的加持下，此补偿系统的网络功率传输能力强，在耦合器电容相同的情况下，可以通过调整补偿网络中电容的大小和第一绕组与第二绕组之间的电感耦合系数的大小来进行功率调节，可以实现较大的传输功率。
(2)本发明提供的电场式无线输电双边MC补偿系统及设计方法，通过将第一绕组的线圈与第二绕组的线圈首尾相连分别形成原边的一次绕组与副边的二次绕组，通过单边一个绕组与一个电容就能实现高阶补偿网络特性，减少了补偿网络元件的数量，并且兼具较高的集成度和大功率传输能力。由于原边结构与副边结构具有对称性，因此还可以进行双向无线电能传输。
(3)本发明提供的电场式无线输电双边MC补偿装置及设计方法，根据设计需要对双耦合绕组线圈进行参数设计，并且能够通过调整线圈匝数纠正绕组的电感值，可以通过第一绕组与第二绕组之间的距离调整第一绕组与第二绕组之间的耦合系数，使得线圈电感值、耦合系数均能控制在误差范围内，设计精准，并且在该装置中装入散热风扇，使其具有良好的散热性能，易于实现大功率电能传输。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统的电路图；
图2为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置结构示意图；
图3为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置结构爆炸图；
图4为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法流程示意图；
图5为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统的耦合器等效电路图；
图6为本发明实施例提供的另一种电场式无线输电双边MC补偿系统的耦合器及绕组等效电路示意图；
图7为本发明实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统交流部分及各回路电流示意图；
图8为本发明实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本申请提供了一种电场式无线输电双边MC补偿系统，图1为本申请实施例提供的一种电场式无线输电双边MC补偿系统的结构示意图，请参阅图1，该系统包括逆变器、耦合器、整流器与MC补偿网络，其中，MC补偿网络包括MC原边补偿网络与MC副边补偿网络，通过MC原边补偿网络将逆变器与耦合器连接，通过MC副边补偿网络将耦合器与整流器连接；其中，
MC原边补偿网络包括一次绕组M1与第一电容C1，一次绕组C1包括第一绕组与第二绕组，第一绕组的绕组线圈与第二绕组的绕组线圈首尾相连形成具有三个端口的一次绕组，一次绕组M1的输入端与耦合器的第一输入端连接，所述一次绕组的输出端与逆变器连接，一次绕组M1的公共端与第一电容C1连接，第一电容C1的另一端分别与逆变器和耦合器的第二输入端连接；
MC副边补偿网络包括二次绕组M2与第二电容C2，第二电感C2包括第三绕组与第四绕组，第三绕组的绕组线圈与第四绕组的绕组线圈首尾相连形成具有三个端口的二次绕组M2，二次绕组M2的输入端与耦合器的第一输出端连接，二次绕组M2的输出端与整流器连接，二次绕组M2的公共端与第二电容C2连接，第二电容C2的另一端分别与整流器和耦合器的第二输出端连接。
在一个具体的实施例中，第一电容C1与第二电容C2均为无极性电容，实际应用时，可由多个无极性电容串联和/或并联形成的电容阵列来代替一个电容。
在一个具体的实施例中，一次绕组M1与二次绕组M2的绕组线圈为利兹线，实际应用时，绕组带磁芯或者不带磁芯均可，但利兹线组成的线圈是必要的。
本申请还提出了一种电场式无线输电双边MC补偿装置，图2为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置结构示意图，图3为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置结构爆炸图，请参阅图2与图3，该装置包括一次绕组M1，一次绕组M1包括第一绕组与第二绕组，第一绕组包括第一绕组骨架201与第一绕组线圈202，第二绕组包括第二绕组骨架203与第二绕组线圈204，第一绕组线圈202缠绕在第一绕组骨架201上，第二绕组线圈204缠绕在第二绕组骨架203上，第一绕组设置于第二绕组的内部，且第一绕组线圈202的首部与所述第二绕组线圈204的尾部相连。
进一步地，电场式无线输电双边MC补偿装置还包括第一绕组支撑板205、第二绕组支撑板206、上绕组距离调节柱210与下绕组距离调节柱211；第一绕组骨架201放置于第一绕组支撑板205上，所述第二绕组骨架203放置于第二绕组支撑板206上。
上绕组距离调节柱210与下绕组距离调节柱211的安装位置可根据第一绕组支撑板205与第二绕组支撑板206的相对位置进行调节，具体包括：当第一绕组支撑板205在第二绕组支撑板206靠近第一绕组骨架201一侧时，上绕组距离调节柱210安装在第一绕组支撑板205和第二绕组支撑板206之间，下绕组距离调节柱211安装在第二绕组支撑板206远离第一绕组骨架201一侧；当第一绕组支撑板205在第二绕组支撑板206远离第一绕组骨架203一侧时，上绕组距离调节柱210安装在第一绕组支撑板205和第二绕组支撑板206之间，下绕组距离调节柱211安装在第一绕组支撑板205远离第一绕组骨架201一侧。
进一步地，电场式无线输电双边MC补偿装置还包括散热风扇支撑板207、散热风扇208、底部支撑板209、风扇调节柱212与底部支撑柱213，散热风扇208固定于散热风扇支撑板207底部，风扇调节柱212安装于散热风扇支撑板209与底部支撑板209之间。
进一步地，散热风扇208的外壳为非金属材料，其风向为由下向上，即从散热风扇支撑板207远离第一绕组骨架201的一侧吹向散热风扇支撑板207靠近第一绕组骨架201的一侧。
在一个具体的实施例中，第一绕组骨架201、第二绕组骨架203均为绝缘材料的空心圆柱体，且第一绕组骨架201的直径小于第二绕组骨架203的直径。
在一个具体的实施例中，第一绕组线圈202、第二绕组线圈204均由利兹线绕制而成，且第一绕组线圈202的直径小于第二绕组线圈204的直径。
在一个具体的实施例中，第一绕组支撑板205、第二绕组支撑板206、散热风扇支撑板207与底部支撑板209均为绝缘材料。其中，第一绕组支撑板205和第二绕组支撑板206中间多处开孔，以保证较好的空气流动性，利于散热。散热风扇支撑板207根据散热风扇208的形状在中间开孔。底部支撑板209可以开孔或不开孔，当散热风扇208与底部支撑板209距离较近时，底部支撑板209必须开孔，以保证较好的空气流动性。
在一个具体的实施例中，散热风扇208的外壳为非金属材料。
在一个具体的实施例中，上绕组距离调节柱210、下绕组距离调节柱211、风扇调节柱212与底部支撑柱213均为内螺纹柱，材料均为尼龙材料，其尺寸不做限定，但为获得整个补偿装置合适的参数，需要与其它组件进行配合。
本申请还提供了一种电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法，图4为本申请实施例提供的一种电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法流程示意图，该方法包括以下步骤：
根据无线输电双边MC补偿系统的设计需求，确定传输功率P、输入电压Uin、输出电压Uout。
在一个具体的实施例中，传输功率P＝3000W，输入电压Uin＝500V、输出电压Uout＝500V。
对耦合器进行等效的电容的测量与计算，并确定无线输电双边MC补偿系统的逆变器与整流器的形式，以及无线输电双边MC补偿系统的工作频率。
具体地，将所述耦合器电容拆分为等效互电容CM、等效原边自电容Cp1与等效副边自电容Cp2。在一个具体的实施例中，耦合器等效互电容CM＝100pF、等效原边自电容Cp1＝150pF、等效副边自电容Cp2＝150pF。
在一个具体的实施例中，逆变器选用全桥式全控逆变器，整流器选用全桥式不控整流器，系统工作频率f＝1MHz，图5为本申请实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统的耦合器等效电路图，可参照图5。
建立无线输电双边MC补偿系统的等效电路模型，图6为本发明实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统的耦合器及绕组等效电路示意图，并根据等效电路模型列出等效电路的电压电流关系方程式。
具体地，将一次绕组与二次绕组分别等效为T型排列的三个等效电感，其中M1等效为电感Le1、Le2、Le3，M2等效为电感Le4、Le5、Le6。根据电路理论，这些等效电感的计算关系为：
其中，L1、L2、L3、L4、k12、k34就是需要确定的补偿网络参数。
计算MC补偿网络的谐振条件，以及MC补偿网络与耦合器等效电容之间的谐振条件，并根据上述谐振条件与等效电路的电压电流关系方程式得到无线输电双边MC补偿系统的传输功率表达式。
具体地，图7为本发明实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿系统交流部分及各回路电流示意图，将将逆变器输出交流电压定为U1，整流器输入交流电压定为U2，根据交流部分系统等效电路模型列写等效电路各回路的电压电流方程为：
MC补偿网络的谐振条件为：
补偿网络元件与耦合器等效电容谐振条件为：
根据等效电路方程和电路谐振关系得到传输功率表达式为：
求解MC补偿网络的参数，并验证传输功率是否满足要求，若不满足要求，则重新调整MC补偿网络的参数。
具体地，指定耦合系数(取值范围0到1)，并根据谐振条件计算补偿网络参数。在一个具体的实施例中，指定耦合系数k12和k34均为0.1，解得补偿网络所有参数为：
当系统的传输功率不满足要求时，需要重新调整补偿网络参数；若满足要求，则完成设计。
进一步地，将上一步骤得到的补偿系统中所有参数带入等效电路模型，并在LTspice仿真软件中进行仿真，测量输出端功率。在这个实施例中，输出端的功率为3411W，此结果满足补偿系统的设计要求，设计完成。
本申请还提供了一种电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，图8为本发明实施例提供的电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法流程示意图，请参阅图8，该方法包括以下步骤：
根据设计需求与无线输电双边MC补偿系统各元件参数确定第一绕组M1电感值、第二绕组M2电感值，以及第一绕组M1与第二绕组M2之间的耦合系数。
优选的，采用上一实施例确定的补偿网络参数，第一绕组M1电感值为16.1uH，第二绕组M2电感值为136.7uH，耦合系数为0.1。
根据第一绕组M1电感值确定第一绕组线圈202的直径和匝数，并根据第一绕组线圈202的直径确定第一绕组骨架201的直径。可采用空心电感经验公式和有限元仿真计算两种方式进行计算线圈的直径和匝数，在本实施例中选用有限元仿真计算方法，具体包括：在仿真软件Maxwell中建立电感模型，设定第一绕组线圈202的线径为5mm，设定其绕线方式为单层均绕，仿真求解线圈直径和匝数分别为70mm和30匝。根据第一绕组线圈202的直径确定第一绕组骨架201的尺寸和第一绕组支撑板205的尺寸。在本实施例中，第一绕组骨架直径为70mm，同时，第一绕组支撑板尺寸也随之确定。
第一绕组M1制作完成后测量其电感值，并计算误差，若误差超过绕组误差阈值，则通过调整线圈匝数改变其电感值。在本实施例中，采用限元仿真计算方法，在Maxwell软件中建立电感模型，将前述步骤得到的参数代入，仿真得到第一绕组M1电感值为16.5uH。
具体地，判断第一绕组电感测量值与设计值的误差是否小于5％，若测量值与设计值的误差大于5％，且测量值大于设计值，则减少线圈匝数，并继续测量电感值，若测量值小于设计值，则增加线圈匝数，并继续测量电感值；若测量值与设计值的误差小于5％，则继续进行下一步。在本实施例中，根据上一步骤仿真得到的第一绕组电感测量值为16.5uH，而第一绕组电感设计值为16.1uH，误差小于5％，因此可继续进行下一步。
重复上述步骤进行第二绕组的制作与误差调整，具体包括：根据第二绕组线圈204直径来确定第二绕组骨架203和第二绕组支撑板206的尺寸。进一步地，根据得到的线圈直径和线径，确定第二绕组骨架203直径为200mm，同时，第二绕组支撑板206尺寸也随之确定。
按照上述设计值完成第二绕组M2的制作，并测量第二绕组M2的电感值。在本实施例中，根据前述步骤得到的参数，在Maxwell软件中建立电感模型，仿真得到第二绕组M2电感值为136.1uH。
判断第二绕组M2电感测量值与设计值的误差是否小于5％，若测量值与设计值的误差大于5％，且测量值大于设计值，则减少线圈匝数，并继续测量电感值，若测量值小于设计值，则增加线圈匝数，并继续测量电感值；若测量值与设计值的误差小于5％，则继续进行下一步。在本实施例中，根据上一步骤仿真得到的第一绕组电感测量值为136.1uH，而第一绕组电感设计值为136.7uH，误差小于5％，因此继续进行下一步。
误差调整完成后测量第一绕组M1与第二绕组M2之间的耦合系数，若耦合系数测量值的误差超过耦合系数误差阈值，则通过调整绕组距离调节柱的高度减小误差。在本实施例中，根据前述步骤得到的参数，在Maxwell软件中建立双绕组电感模型，仿真得到耦合系数为0.101。
进一步地，判断耦合系数测量值与设计值误差是否小于10％，若测量值与设计值的误差大于10％，且测量值大于设计值，则增加上绕组距离调节柱高度或减小下绕组距离调节柱高度，并返回上一步骤继续测量耦合系数，若测量值小于设计值，则减小上绕组距离调节柱高度或增加下绕组距离调节柱高度，并返回上一步骤继续测量电感值；若测量值与设计值的误差小于10％，则继续进行下一步。在本实施例中，根据上一步骤仿真得到的耦合系数测量值为0.101，而耦合系数设计值为0.1，误差小于10％，可以继续进行下一步。
进一步地，根据上述若干步骤形成的参数约束确定装置其它组件的参数。在本实施例中，散热风扇选用15cm×15cm直流风机，其厚度为5cm，为保证散热效果，设置风扇调节柱高度为100mm，底部支撑柱高度为10mm。至此，完成了补偿装置的设计。
需要说明的是，该设计方法为单边补偿装置的设计方法，原副边都需要根据本方法进行设计。另外，根据本设计方法设计的补偿装置，第一绕组电感值、第二绕组电感值存在5％以内的误差，耦合系数存在10％以内的误差，这对于电场式无线输电系统完全是可以接受的。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电场式无线输电双边MC补偿系统，其特征在于，包括逆变器、耦合器、整流器与MC补偿网络，所述MC补偿网络包括MC原边补偿网络与MC副边补偿网络，通过所述MC原边补偿网络将逆变器与耦合器连接，通过所述MC副边补偿网络将耦合器与整流器连接；其中，
MC原边补偿网络包括一次绕组与第一电容，所述一次绕组包括第一绕组与第二绕组，所述第一绕组的绕组线圈与所述第二绕组的绕组线圈首尾相连形成一次绕组，所述一次绕组的输入端与逆变器连接，所述一次绕组的输出端与耦合器的第一输入端连接，所述一次绕组的公共端与第一电容连接，所述第一电容的另一端分别与逆变器和耦合器的第二输入端连接；
MC副边补偿网络包括二次绕组与第二电容，所述第二电感包括第三绕组与第四绕组，所述第三绕组的绕组线圈与所述第四绕组的绕组线圈首尾相连形成二次绕组，所述二次绕组的输入端与耦合器的第一输出端连接，所述二次绕组的输出端与整流器连接，所述二次绕组的公共端与第二电容连接，所述第二电容的另一端分别与整流器和耦合器的第二输出端连接。
2.一种电场式无线输电双边MC补偿装置，其特征在于，包括一次绕组，所述一次绕组包括第一绕组与第二绕组，所述第一绕组包括第一绕组骨架与第一绕组线圈，所述第二绕组包括第二绕组骨架与第二绕组线圈，第一绕组线圈缠绕在第一绕组骨架上，第二绕组线圈缠绕在第二绕组骨架上；所述第一绕组设置于第二绕组的内部，所述第一绕组线圈的首部与所述第二绕组线圈的尾部相连。
3.如权利要求2所述的电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，还包括第一绕组支撑板、第二绕组支撑板、上绕组距离调节柱与下绕组距离调节柱；所述第一绕组骨架放置于第一绕组支撑板上，所述第二绕组骨架放置于第二绕组支撑板上；
所述上绕组距离调节柱与下绕组距离调节柱的安装位置可根据第一绕组支撑板与第二绕组支撑板的相对位置进行调节，具体包括：当第一绕组支撑板在第二绕组支撑板靠近第一绕组骨架一侧时，上绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板和第二绕组支撑板之间，下绕组距离调节柱安装在第二绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧；当第一绕组支撑板在第二绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧时，上绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板和第二绕组支撑板之间，下绕组距离调节柱安装在第一绕组支撑板远离第一绕组骨架一侧。
4.如权利要求2所述的电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，还包括散热风扇、散热风扇支撑板、底部支撑板、风扇调节柱与底部支撑柱，所述散热风扇固定于所述散热风扇支撑板底部，所述风扇调节柱安装于所述散热风扇支撑板与底部支撑板之间。
5.如权利要求2所述的电场式无线输电双边MC补偿装置，其中，所述第一绕组骨架与所述第二绕组骨架为中空的圆柱体，且所述第一绕组骨架的直径小于所述第二绕组骨架的直径。
6.一种电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定无线输电双边MC补偿系统的传输功率、输入电压与输出电压；
对耦合器进行等效的电容的测量与计算，并确定无线输电双边MC补偿系统的逆变器与整流器的形式，以及无线输电双边MC补偿系统的工作频率；
建立无线输电双边MC补偿系统的等效电路模型，并根据等效电路模型列出等效电路的电压电流关系方程式；
计算MC补偿网络的谐振条件，以及MC补偿网络与耦合器等效电容之间的谐振条件，并根据上述谐振条件与等效电路的电压电流关系方程式得到无线输电双边MC补偿系统的传输功率表达式；
对所述传输功率表达式进行求解得到MC补偿网络的参数，并验证传输功率是否满足要求，若不满足要求，则重新调整MC补偿网络的参数。
7.如权利要求6所述的电场式无线输电双边MC补偿系统的设计方法，其中，所述无线输电双边MC补偿系统的等效电路模型为：将所述耦合器电容拆分为等效互电容、等效原边自电容与等效副边自电容，以及将一次绕组与二次绕组等效为呈T型排列的三个等效电感。
8.一种电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据设计需求与无线输电双边MC补偿系统各元件参数确定第一绕组电感值、第二绕组电感值，以及第一绕组与第二绕组之间的耦合系数；
根据第一绕组电感值确定第一绕组线圈的直径和匝数，并根据第一绕组线圈的直径确定第一绕组骨架的直径；
第一绕组制作完成后测量其电感值，并计算误差，若误差超过绕组误差阈值，则通过调整线圈匝数改变其电感值；
重复上述步骤进行第二绕组的制作与误差调整；
误差调整完成后测量第一绕组与第二绕组之间的耦合系数，若耦合系数测量值的误差超过耦合系数误差阈值，则通过调整绕组距离调节柱的高度减小误差。
9.如权利要求8所述的电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，其中，还包括：
若第一绕组或第二绕组的电感测量值大于设计值，则减少绕组线圈匝数，若第一绕组或第二绕组的电感测量值小于设计值，则增加线圈匝数。
10.如权利要求8所述的电场式无线输电双边MC补偿装置的设计方法，其中，所述若耦合系数测量值的误差超过耦合系数误差阈值，则通过调整绕组距离调节柱的高度减小误差，具体包括：
若所述耦合系数的测量值大于设置值，则增加上绕组距离调节柱高度或减小下绕组距离调节柱高度；若所述耦合系数的测量值小于设计值，则减小上绕组距离调节柱高度或增加下绕组距离调节柱高度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310250323.5A CN116191691B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310250323.5A CN116191691B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116191691A true CN116191691A (zh) | 2023-05-30 |
| CN116191691B CN116191691B (zh) | 2024-03-15 |
Family
ID=86448784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310250323.5A Active CN116191691B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116191691B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB286176A (en) * | 1927-09-26 | 1928-03-01 | Josef Hofmann | Improvements in or relating to compensating arrangements for use in connection with amplifying circuits |
| CN103700484A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-04-02 | 西安理工大学 | 抑制共模emi的开关电源高频变压器辅助绕组设计方法 |
| CN104538166A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-04-22 | 泰州市鑫仪电器有限公司 | 一种单相智能电能表电源变压器设计方法 |
| US20180233953A1 (en) * | 2015-08-06 | 2018-08-16 | Auckland Uniservices Limited | Hybrid inductive power transfer system |
| CN109861405A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-07 | 重庆大学 | 基于层叠式耦合机构的负载自适应ec-wpt系统及参数设计方法 |
| CN110417131A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-05 | 南京航空航天大学 | 一种基波-谐波并行传能的多通道非接触供电系统 |
| CN113555967A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-26 | 上海万暨电子科技有限公司 | 一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统 |
| CN114784988A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-07-22 | 重庆大学 | 非对称信号双向传输的ec-wpt系统及能量串扰抑制方法 |
| CN114928181A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-08-19 | 重庆大学 | 基于双侧lcc补偿网络的多中继mc-wpt系统及参数设计方法 |
| CN115603468A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-13 | 重庆大学（Cn） | 基于频率切换恒流/恒压输出的ec-wpt系统及其参数设计方法 |
| WO2023029698A1 (zh) * | 2021-09-02 | 2023-03-09 | 中国科学院电工研究所 | 无线充电系统中mosfet的关断电流确定方法及系统 |
-
2023
- 2023-03-15 CN CN202310250323.5A patent/CN116191691B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB286176A (en) * | 1927-09-26 | 1928-03-01 | Josef Hofmann | Improvements in or relating to compensating arrangements for use in connection with amplifying circuits |
| CN103700484A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-04-02 | 西安理工大学 | 抑制共模emi的开关电源高频变压器辅助绕组设计方法 |
| CN104538166A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-04-22 | 泰州市鑫仪电器有限公司 | 一种单相智能电能表电源变压器设计方法 |
| US20180233953A1 (en) * | 2015-08-06 | 2018-08-16 | Auckland Uniservices Limited | Hybrid inductive power transfer system |
| CN109861405A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-07 | 重庆大学 | 基于层叠式耦合机构的负载自适应ec-wpt系统及参数设计方法 |
| CN110417131A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-05 | 南京航空航天大学 | 一种基波-谐波并行传能的多通道非接触供电系统 |
| CN113555967A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-26 | 上海万暨电子科技有限公司 | 一种无线充电发射线圈的谐振补偿方法、装置及系统 |
| WO2023029698A1 (zh) * | 2021-09-02 | 2023-03-09 | 中国科学院电工研究所 | 无线充电系统中mosfet的关断电流确定方法及系统 |
| CN114928181A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-08-19 | 重庆大学 | 基于双侧lcc补偿网络的多中继mc-wpt系统及参数设计方法 |
| CN114784988A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-07-22 | 重庆大学 | 非对称信号双向传输的ec-wpt系统及能量串扰抑制方法 |
| CN115603468A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-13 | 重庆大学（Cn） | 基于频率切换恒流/恒压输出的ec-wpt系统及其参数设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116191691B (zh) | 2024-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qin et al. | A 6.6-kW high-frequency wireless power transfer system for electric vehicle charging using multilayer nonuniform self-resonant coil at MHz | |
| CN111898289B (zh) | 一种远距离无线充电lcc-s拓扑参数设计方法 | |
| Li et al. | Analysis and design of a series self-resonant coil for wireless power transfer | |
| Tong et al. | Design and fabrication of three-dimensional printed air-core transformers for high-frequency power applications | |
| CN102385978A (zh) | 集成有感应器的变压器 | |
| CN113871154A (zh) | 集成谐振电感的变压器、谐振腔、谐振电路以及调节方法 | |
| Qing et al. | A hybrid wireless power transfer system with constant and enhanced current output against load variation and coupling misalignment | |
| Isler et al. | Development of a 100 kW, 12.5 kV, 22 kHz and 30 kV insulated medium frequency transformer for compact and reliable medium voltage power conversion | |
| Zhang et al. | A wide-load-range and compact MHz wireless power transfer system based on novel reactance compression design and edge inductor | |
| Jiang et al. | A fully integrated common-mode choke design embedded with differential-mode capacitances | |
| Ramezani et al. | An efficient PCB based magnetic coupler design for electric vehicle wireless charging | |
| CN116191691B (zh) | 电场式无线输电补偿系统及设计方法、装置及设计方法 | |
| CN112735727B (zh) | 一种无线电能传输系统的pcb线圈装置设计方法 | |
| CN112259349B (zh) | 一种无线电能传输系统自谐振线圈 | |
| US20230198310A1 (en) | Differential rectifier for use in a wireless power receiver, and method of rectifying a power signal | |
| Liu et al. | Multi-layer design and power transfer test of PCB-based coil for electric vehicle wireless charging | |
| Li et al. | A sandwich structure for cost-effective printed-circuit-board wireless power resonator | |
| Sinha et al. | Optimized design of high-efficiency immittance matching networks for capacitive wireless power transfer systems | |
| Dong et al. | Optimal design of DD coupling coil for wireless charging system of electric vehicle | |
| Spanik et al. | Usign planar transformers in soft switching dc/dc power converters | |
| Luo et al. | Extensible low-profile coplanar wireless power transfer system for multiload applications with load-independence constant current output | |
| Hua et al. | LCL resonant compensation of movable ICPT systems with a multi-load | |
| Li et al. | Resistance optimization of a coil with substrate and design of a high-power-density coupler for wireless power transfer | |
| Phukan et al. | Simplified Wide-Band Frequency Models for Single and Multi-layered Boost Inductors | |
| Marques et al. | A new magnetic coupler for EVs chargers based on plug-in and IPT technologies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |