基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法

摘要

本发明公开了一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，为了解决传统的两段式充电峰值功率过大的问题，该方法在蓄电池恒流充电向恒压充电切换时，引入恒功率充电阶段；同时为确保系统安全运行和传输的高效率，对原边谐振网络的输入电流和逆变器的移相角进行限制，利用这三个充电阶段以及安全运行范围分别限定两耦合线圈电感的参数关系，从而确定两耦合线圈电感的取值范围，为谐振网络参数设计提供了一种可靠的设计准则，确保了蓄电池充电过程的安全高效性。本发明满足了磁耦合谐振式无线电能传输系统用于蓄电池全范围充电的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，具体涉及一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法。

背景技术

无线电能传输技术依照其实现原理可分为近场与远场两大类。近场技术易于实现更高的效率和更大的功率，因而被广泛的应用于电动汽车、智能设备、机器人、无人机、植入式医疗等设备的无线充电，而近场技术中的磁耦合谐振技术能够更好地满足性能要求。在对常用的蓄电池进行充电时，无线充电机对其充电特性有以下几个需求：

1)恒定的充电电流。蓄电池充电过程的第一阶段是恒流充电，充电器以最大的电流对蓄电池进行恒流充电，蓄电池充电电压逐渐上升。

2)恒定的最大充电功率。蓄电池充电过程的第二阶段是功率充电，充电器以最大的功率对蓄电池进行恒功率充电，蓄电池充电电压逐渐上升。

3)恒定的充电电压。蓄电池充电过程的第三阶段是恒压充电，充电器以最大的电压对蓄电池进行恒压充电，蓄电池充电电流逐渐减小直至浮充状态。

4)安全的运行电流。对整个无线电能传输系统而言，为确保系统安全运行，需对输入电流设置安全上限。

5)合理的总谐波畸变率(THD)。为确保无线电能传输系统原边逆变器 输出方波的THD值不至于过大以及获得较高的传输效率，需对前级逆变器的移相角设置下限。

由于对蓄电池进行充电时原副边线圈位置已固定，故在整个充电过程中可将系统两谐振线圈的耦合系数视为定值，且蓄电池在充电过程中电压电流随时间不断变化，故可将其充电过程视为一个随时间变化的可变电阻，在无线电能传输过程中负载电阻的变化将对系统的各项输出特性产生影响，同时为实现安全运行的要求，需要一套合理的谐振网络的参数使无线电能传输系统在以上三种不同的充电状态下满足相应的输出特性以及安全要求。然而目前的参数设计方法仅针对固定的负载电阻或根据经验选取谐振网络参数，尚未有将蓄电池的上述充电特性结合起来的参数设计方法的论述。

因此，需要一种能够满足蓄电池充电特性以及安全要求的参数设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，可满足蓄电池三段式充电特点及安全要求。

为达到上述目的，本发明所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：

在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电 阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。

谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：谐振网络的互导增益大于等于蓄电池恒流充电时谐振网络中副边的谐振电流有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输出交流基波电压有效值由直流侧输入电压与逆变器移相角确定。

谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：谐振网络的电压增益大于等于蓄电池恒压充电时整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电压由蓄电池本身特性决定。

谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件具体为：谐振网络的的输出功率大于等于蓄电池的额定功率。

蓄电池充电过程中，谐振网络的互阻增益大于等于整流器桥臂中点电压基波有效值与谐振网络中原边的谐振电流之比，谐振网络中原边的谐 振电流的最大值由系统电流限幅值决定。

当逆变器移相角最小时，谐振网络的电压增益小于等于整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，谐振网络的互导增益小于等于谐振网络中副边的谐振电流与逆变器输出交流基波电压有效值的最小值之比。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法在具体操作时，通过获取蓄电池不同充电阶段中谐振网络中耦合线圈电感的边界条件，同时获取蓄电池整个充电过程中谐振网络中耦合线圈电感的边界条件，再以各边界条件的交集作为中耦合线圈电感值的取值范围，从而将系统的输出特性与蓄电池的充电特性结合起来，同时在蓄电池的恒流充电阶段与恒压充电阶段增加恒功率充电阶段，即增加以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，同时对谐振网络的输入电流及逆变器进行移相调压时的移相角进行限定。在所有限定条件满足下，选择合适的耦合电感值，从而满足蓄电池的充电特点及安全要求。

附图说明

图1为本发明中原边串联副边串联的磁耦合谐振无线电能传输系统的结构图；

图2(a)为理想蓄电池充电曲线图；

图2(b)为受最大功率限制的蓄电池充电曲线图；

图3(a)谐振网络的互导增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率 标幺值的变化图；

图3(b)为谐振网络的电压增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；

图3(c)为谐振网络的输出功率在等效电阻一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；

图3(d)为谐振网络的互阻增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；

图4为实施例一中得到的耦合电感值的边界条件图；

图5(a)为在A点进行恒流充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；

图5(b)为在B点进行恒功率充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；

图5(c)为在C点进行恒功率充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；

图5(d)为在D点进行恒压充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：

在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小 电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值π/4，以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。

需要说明的是，谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：谐振网络的互导增益大于等于蓄电池恒流充电时谐振网络中副边的谐振电流有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输出交流基波电压有效值由直流侧输入电压与逆变器移相角确定；

谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：谐振网络的电压增益大于等于蓄电池恒压充电时整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电压由蓄电池本身特性决定；

谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件具体为：谐振网络的输出功率大于等于蓄电池的额定功率；

蓄电池充电过程中，谐振网络的互阻增益大于等于整流器桥臂中 点电压基波有效值与谐振网络中原边的谐振电流有效值之比，谐振网络中原边的谐振电流的最大值由系统电流限幅值决定，谐振网络的电压增益小于等于整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，谐振网络的互导增益小于等于谐振网络中副边的谐振电流与逆变器输出交流基波电压有效值的最小值之比，逆变器输出交流基波电压有效值的最小值由逆变器的最小移相角决定。

本发明可同时满足对蓄电池进行充电时不同充电状态下的要求，所述蓄电池的充电阶段依次包括恒流充电阶段、恒功率充电阶段及恒压充电阶段。

实施例一

参见图1，以250W小功率充电平台为例，前级80V理想电压源经过逆变器，将直流电逆变产生高频交流方波电压驱动发射侧谐振网络，发射侧谐振网络产生高频电磁场，接收侧谐振网络感应高频电磁场产生高频交流电压，在经过整流器整流后最终给蓄电池充电。

2(a)为理想蓄电池充电曲线图，蓄电池在A-B段进行恒流充电，充电电流保持不变，充电电压随时间逐渐上升，在B-C段进行恒压充电，充电电压保持不变，充电电流随时间逐渐减小，两种情况下蓄电池的等效电阻均逐渐增大；图2(b)为受最大功率限制的蓄电池充电曲线图：蓄电池在B-C段则进行恒功率充电，充电电压逐渐上升，充电电流逐渐下降，充电功率保持不变，等效电阻逐渐增大。

谐振网络的互导增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化情况参见图3(a)，谐振网络的互导增益在逆变器的开关频率等 于谐振网络的谐振频率时保持恒定，即此时谐振网络的互导增益将不随负载电阻变化而变化，且当逆变器输出交流基波电压有效值和逆变器的开关频率一定时，谐振网络的互导增益仅与谐振网络中耦合线圈的电感值和原边线圈与副边线圈的耦合系数有关，从而得到满足要求互导增益时不同耦合系数下耦合线圈电感值的边界条件。

谐振网络的电压增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化情况参见图3(b)，谐振网络的电压增益在逆变器的开关频率为谐振网络的分叉频率时，谐振网络的电压增益将不随负载电阻变化而变化，且谐振网络的电压增益仅与耦合线圈的电感值有关，从而得到满足要求谐振网络的电压增益时耦合线圈电感值的边界条件。

谐振网络的输出功率在等效电阻一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化情况参见图3(c)，在逆变器的开关频率等于SS谐振网络的谐振频率时，谐振网络的输出功率随原边线圈与副边线圈的耦合系数的增大而减小，在蓄电池的恒功率充电阶段，在最大耦合系数条件下需使谐振网络的输出功率不小于蓄电池的额定充电功率，从而得到满足蓄电池要求的输出功率时耦合线圈电感值的边界条件。

谐振网络的互阻增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化情况参见图3(d)，谐振网络的互阻增益在逆变器的开关频率等于SS谐振网络的谐振频率时，谐振网络的互阻增益不随负载电阻变化而变化，且当逆变器输出交流基波电压有效值和逆变器的开关频率恒定时，谐振网络的互阻增益仅与耦合线圈的电感值和原边线圈与副边线圈的耦合系数有关，从而得到满足要求的谐振网络的互阻增益时不同耦合 系数下耦合线圈电感值的边界条件。

为了说明本发明的有效性，利用表1的系统设计指标对SS拓扑磁耦合谐振的无线电能传输系统参数进行设计。

表1

依照上述参数设计方法得到的耦合电感值的边界条件参见图4，点横线为在最大移相角与最小移相角满足电压增益条件时，原副边电感量需要满足的边界条件，副边电感量应在移相角为π的点横线之上以及移相角为的点横线之下；虚线为在不同耦合系数以及最大移相角与最小移相角下满足互导增益条件时，原副边电感量需要满足的边界条件，副边电感量应在互导增益上限虚线之下以及互导增益下限虚线之上；点线 为在恒功率充电时两过渡点B和C满足额定功率条件时，原副边电感量需要满足的边界条件，副边电感量应在两点线之下；实线为系统在不同耦合系数下在不同工作点时满足互阻增益条件时，原副边电感量需要满足的边界条件，副边电感量应在三条实线之上。经过多个条件的约束从而可得：原边线圈电感量和副边线圈电感量的取值范围为图中阴影部分区域。

依照图4的电感值取值范围选择原边电感L₁为116.86μH、副边电感L₂为116.86μH、原边电容C₁为30nF、副边电容C₂为30nF，在受最大功率限制的蓄电池充电曲线上，系统运行于A点进行恒压充电时参见图5(a)，系统运行于B点和C点进行恒功率充电参见图5(b)和图5(c)，系统运行于D点进行恒压充电参见图5(d)。