CN211405619U - 基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构 - Google Patents

基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构 Download PDF

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陈为
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Abstract

本实用新型涉及一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源U in和发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。本实用新型中继线圈不工作于谐振状态，系统只有两个谐振环节，较传统的三线圈结构不易出现失谐问题。

Description

基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构
技术领域
本实用新型涉及三线圈磁耦合领域，具体涉及一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构。
背景技术
随着电动汽车产业的快速发展，人们对充电系统的安全性、便捷性提出了更高的要求。因此，电动汽车的非接触式充电系统也得到了越来越广泛的应用。当传输距离增加，无线电能传输系统的传输效率迅速下降。为解决这一问题，在发射线圈与接收线圈中间插入中继线圈是增大无线能量传输距离的简单易行、经济实惠的有效途径。
中继线圈的存在起到能量中转站的作用，但该系统存在多条功率传输路径，使系统的补偿网络设计复杂且难以获得较好的输出特性。
目前，现有的补偿方式是控制各线圈自感与补偿电容的谐振频率一致，来提高系统的能量传输能力。但这样的补偿方式，第一，负载的输出特性由整个磁耦合系统决定，且无法完全补偿系统的内电抗，输出稳压特性较差。第二，应用中含中继线圈的磁耦合系统存在三个谐振频率，相比于不含中继线圈的两线圈系统更容易出现补偿网络失谐问题。第三，含中继线圈的磁耦合系统存在交叉耦合问题，现有技术在各线圈谐振补偿网络的基础上，通过添加阻抗匹配网络或串联电抗补偿的方式，来消除交叉耦合效应的影响。但这样的补偿方式需要增加器件数量，并且磁耦合系统一旦给定其输出特性就完全确定，无法通过补偿网络参数的设计来获得不同的输出特性。以上说明皆是讨论负载输出电压特性，而目前并无提出补偿方法来研究负载的输出电流特性。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构及其方法，实现中继线圈不工作于谐振状态，系统只有两个谐振环节，较传统的三线圈结构不易出现失谐问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin和发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
进一步的，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
进一步的，所述发射线圈电路还包括第一补偿电容CP1；所述第一补偿电容CP1并联于电压源Uin两端。
进一步的，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次并联连接形成回路的电压源Uin和发射线圈回路并联补偿电容CP1和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
进一步的，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次并联连接的电流源Iin、第一补偿电容CP1和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本实用新型中继线圈不工作于谐振状态，系统只有两个谐振环节，较传统的三线圈结构不易出现失谐问题
2、本实用新型综合考虑了交叉耦合的问题，使系统完全补偿，从而获得良好的输出特性并能有效减少逆变器容量。
附图说明
图1是本实用新型一实施例中三线圈互感模型；
图2是本实用新型一实施例中变压器T模型；
图3是本实用新型一实施例中SSP型的补偿拓扑；
图4是本实用新型一实施例中SP型的补偿拓扑；
图5是本实用新型一实施例中PSSP型的补偿拓扑；
图6是本实用新型一实施例中PSP型的补偿拓扑1；
图7是本实用新型一实施例中PSP型的补偿拓扑2；
图8是本实用新型一实施例中恒流输出1A的效果的仿真结果图；
图9是本实用新型一实施例中恒流输出2A的效果仿真结果图；
图10是本实用新型一实施例中恒压输出10A的效果仿真结果图；
图11是本实用新型方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
请参照图3，本实用新型提供一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin和发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。当Cs为无穷大时，即
Figure BDA0002371732590000041
此时Cs电容可以用短路线替代，如图4所示。
参照图5，本实施例中，基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin和发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。所述发射线圈电路还包括第一补偿电容CP1；所述第一补偿电容CP1并联于电压源Uin两端。当Cs为无穷大时，即
Figure BDA0002371732590000051
此时Cs电容可以用短路线替代，如图6所示。
参照图7，本实施例中，一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次并联连接的电流源Iin、第一补偿电容CP1和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
在本实施例中，基于二端口特性，将原有三线圈多级、复杂的互感模型等效为简单明了的变压器T模型，其等效电路模型如图2所示。等效后的变压器T模型，将作为中转站的中继线圈“消除”，并将各线圈的耦合关系融入到变压器T模型中的Lpk，Lsk，Lm，n中。
根据KVL，列出各回路电压方程：
Figure BDA0002371732590000052
Figure BDA0002371732590000053
其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，M1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，Mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M12为发射线圈与接收线圈之间的互感，Cr为中继线圈回路补偿电容，ω为系统工作角频率，不同于ω0(为自谐振工作角频率)。
同样得出矩阵表达式：
Figure BDA0002371732590000061
Lpk与Lsk分别为变压器T模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器T模型的等效变比，该变比不同于变压器的物理匝比，理论上它可以是任意值(包括实数和复数)，Lm为变压器T模型的等效激磁电感。
为保证二端口特性相同，可得出变压器T模型中各参数与互感模型中各参数的关系如下所示：
Figure BDA0002371732590000062
L1，L2，Lr，M1r，Mr2，M12均可通过实际测量获得，而中继线圈补偿电容Cr选择不等于
Figure BDA0002371732590000063
(ω0表示固有的谐振角频率)，即中继线圈处于失谐条件下。从表达式可知，随着无线电能传输系统的磁耦合结构以及补偿电容Cr值的固定，Lm，Lpk，Lsk都可由不同的n来确定。将等效后的变压器T模型置于无线电能传输系统中去。等效的变压器T模型是基于中继线圈失谐条件下的一个等效方法，它不仅将交叉耦合融入到等效模型中，实现了对中继线圈的解耦，还提供了消除交叉耦合的新途径。
在本实施例中，如图3所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：
步骤A1：将三线圈互感模型等效为变压器T模型；
步骤A2:Cs与Lpk串联谐振，电压源Uin通过变压器放大n倍，施加在副边，Lpk与Lsk分别为变压器T模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器T模型的等效变比(该变比不同于变压器的物理匝比，理论上可以是任意值，包括实数和复数)；
步骤A3：通过等效源变换，将电压源等效为电流源
Figure BDA0002371732590000071
Cp2与Lsk并联谐振，实现恒流输出，参数确定如下：
Figure BDA0002371732590000072
其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，M1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，Mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M12为发射线圈与接收线圈之间的互感，Cr为中继线圈回路补偿电容，ω为系统工作角频率；
步骤A4:根据输出电流IRL大小，即确定n的值(n不等于
Figure BDA0002371732590000081
因为此时输出电流IRL为无穷大)，进一步确定所需的电容值，实现所需的电流增益并且不受负载变化而变化。
当Cs为无穷大时，即
Figure BDA0002371732590000082
此时Cs电容可以用短路线替代，如图4所示。
在本实施例中，如图5所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：
步骤B1：将三线圈互感模型等效为变压器T模型；
步骤B2:Cs与Lpk串联谐振，Cp1与Lm并联谐振减少无功功率,电压源Uin通过变压器放大n倍，施加在副边，Lpk与Lsk分别为变压器T模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器T模型的等效变比(该变比不同于变压器的物理匝比，理论上可以是任意值，包括实数和复数)；
步骤B3:通过等效源变换，将电压源等效为电流源
Figure BDA0002371732590000083
Cp2与Lsk并联谐振，实现恒流输出：
Figure BDA0002371732590000091
步骤B4:根据输出电流IRL大小，即确定n的值(n不等于
Figure BDA0002371732590000092
因为此时输出电流IRL为无穷大)，进一步确定所需的电容值，实现所需的电流增益并且不受负载变化而变化。
当Cs为无穷大时，即
Figure BDA0002371732590000093
此时Cs电容可以用短路线替代，如图6所示。
在本实施例中，如图7所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：
步骤C1：将三线圈互感模型等效为变压器T模型；
步骤C2:，通过等效源变换，将电流源等效为电压源
Figure BDA0002371732590000094
Cp1与Lpk串联谐振，等效后电压源
Figure BDA0002371732590000095
通过变压器放大n倍，施加在副边上，Lpk与Lsk分别为变压器T模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器T模型的等效变比(该变比不同于变压器的物理匝比，理论上可以是任意值，包括实数和复数)；
步骤C3:通过等效源变换，将电压源等效为电流源
Figure BDA0002371732590000101
Cp2与Lsk并联谐振，实现恒流输出：
Figure BDA0002371732590000102
步骤C4:根据输出电流IRL大小，即确定n的值(n不等于
Figure BDA0002371732590000103
与
Figure BDA0002371732590000104
因为此时输出电流IRL分别为无穷大和0)，进一步确定所需的电容值，实现所需的电流增益并且不受负载变化而变化。
在本实施例中，若计算得到所需的电容值出现负值时，则用电感补偿，补偿电感值与负的补偿电容值的关系如下式所示：
Figure BDA0002371732590000105
参考图3，本实施例中具体实施如下：
对于工作在100kHz频率下的三线圈无线电能传输系统，其磁耦合结构发射线圈自感为240uH，中继线圈自感为200uH，接收线圈自感为100uH，K1r＝0.11，Kr2＝0.285，K12＝0.053，中继线圈谐振电容Cr选取
Figure BDA0002371732590000111
来表征中继线圈的失谐条件，发射线圈连接的逆变输入源幅值为100V，采用本实用新型方法进行补偿如下：
当所需输出电流幅值为-j1A时，即变比n＝0.820307，利用上述公式，计算出Cs和Cp2，此时Cs＝12.49nF，Cp2＝19.4nF，此时输出侧即可达到恒流输出1A的效果，仿真结果如图8所示；
当所需输出电流幅值为-j2A时，即变比n＝1.316524，利用上述公式，计算出Cs和Cp2，此时Cs＝11.17nF，Cp2＝24.18nF，此时输出侧即可达到恒流输出2A的效果，仿真结果如图9所示；
当所需输出电流幅值为j10A时，即变比n＝4.803076，利用上述公式，计算出Cs和Cp2，此时Cs＝9.92nF，Cp2＝-33.14nF为负值，应用公式，选用电感Lp2＝76.44uH代替Cp2，此时输出侧即可达到恒压输出10A的效果，仿真结果如图10所示。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其特征在于：包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源U in和发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
2.根据权利要求1所述的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其特征在于，所述发射线圈电路还包括第一补偿电容CP1；所述第一补偿电容CP1并联于电压源U in两端。
3.一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其特征在于：包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源U in和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
4.一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其特征在于：包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次并联连接形成回路的电压源U in和发射线圈回路并联补偿电容CP1和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
5.一种基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其特征在于：包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次并联连接的电流源Iin、第一补偿电容CP1和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路补偿电容Cr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，第二补偿电容CP2和负载。
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