一种具有抗偏移能力的无线电能传输LCC-S拓扑结构及其参数设计方法

摘要

本发明提供了一种具有抗偏移能力的无线电能传输LCC‑S拓扑结构及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。拓扑结构电路结构包括发射端和接收端，所述发射端还包括补偿电感器L1和补偿电容器C2，本发明以应用最为广泛的串‑串结构作为比较提高对象，充分考虑系统输出功率的平缓输出进行参数设计，因此具有较强的应用型和适用性。同时，系统采用新型的拓扑结构，而不改变系统的耦合机构等其他部分，只是从电路的角度出发，所以易于改进，且具有良好的通用性，适用于各种功率等级的无线电能传输系统。

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线电能传输作为一种较为理想的电能传输方式，相比于传统的有线电能传输，具有更高的安全性、便捷性，在近年来得到了快速发展。按照传输功率的等级，小到手机、家电和各种移动式机器人，大到电动汽车等均有应用，拥有着广阔的发展前景。目前无线电能传输的方式包括静态电能传输和动态电能传输两种，但是目前无论是静态还是动态传输方式，两者的应用和发展都存在着一个瓶颈问题，即由于充电过程中发生发射端与接收端偏移的情况，从而影响系统能量的稳定传输，而这一问题在无线电能传输的过程中却普遍存在。

首先对于动态传输方式来说，以电动汽车的动态轨道无线充电为例，当电动汽车在驾驶的过程中，由于操纵和路况的原因，发射导轨与接收端不可能始终保持在最佳的充电位置，必然存在着两个线圈之间偏移，从而影响接收端功率的传输；其次对于静态传输方式而言，以扫地机器人的静态充电为例，在其自寻迹过程中，由于导航精度不高，受到定位误差的限制，在静态无线充电时，发射端与接收端也会发生偏移。一方面，由于偏移现象的产生，导致系统耦合系数的下降，进而会影响系统传输功率的稳定性；另一方面，对于大多数的无线电能传输系统来说，其负载通常是以电池为核心的各种用电设备，在电池充电的过程中需要负载端保持恒压或者恒流状态，因此对于无线传输功率的稳定性要求更加严格。

目前针对无线电能传输系统的拓扑结构而言，应用最为广泛的是串-串结构，并以其结构简单、技术成熟等诸多优点在工程领域得到了广泛的应用。但是对于串-串结构而言，当发射端、接收端以及负载和谐振频率固定之后，系统输出功率的大小将仅由耦合系数来决定，因此系统功率输出的稳定性将会受到因线圈偏移而导致的耦合系数变化的较大影响，所以设计一种新型的无线电能传输拓扑结构及参数用于提高系统的抗偏移能力具有深远的现实意义。

发明内容

本发明目的是为了改善各种用电设备在无线充电时，位置偏移时耦合磁场磁通下降导致的系统功率发生变化的问题，提供一种可以应用于各种无线充电场合的具备抗偏移能力的LCC-S型拓扑结构，并给出电路中各参数的设计方法。

本发明提供的具有抗偏移能力的无线电能传输LCC-S拓扑结构的电路结构如图1所示，包括发射端和接收端，所述发射端包括交流逆变电压源U_in，第一电容器C_p，发射端自感L_p和发射端内阻R_p，接收端包括接收端自感L_s，接收端内阻R_s，负载电阻R_o和第二电容器C_s；在此基础上发射端还包括补偿电感器L₁和补偿电容器C₂；交流逆变电压源U_in的一端连接补偿电感器L₁的一端，补偿电感器L₁的另一端连接补偿电容器C₂的一端和第一电容器C_p的一端，补偿电容器C₂和第一电容器C_p并联，第一电容器C_p的另一端连接发射端自感L_p的一端，发射端自感L_p的另一端连接发射端内阻R_p的一端，发射端内阻R_p的另一端连接补偿电容器C₂的另一端和交流逆变电压源U_in的另一端；接收端自感L_s、接收端内阻R_s、负载电阻R_o、第二电容器C_s依次串联；其中，发射端自感L_p和第一电容器C_p处于谐振状态，接收端自感L_s和第二电容器C_s处于谐振状态，发射端自感L_p和接收端自感L_s之间存在互感M；其中，k为耦合系数，L_p为发射端自感L_p的电感量，L_s为接收端自感L_s的电感量。

一般来讲发射端和接收端在垂直方向处于正对状态，这也是理想状态，但大多情况下线圈会在水平方向发生侧移，目前侧移的距离不超过两线圈直径的40％。

所述交流逆变电压源内部为全桥逆变电路。

所述接收端，在负载电阻R_o的两端之间设置整流滤波电路，采用不可控全桥整流电路以及电容器滤波。

本发明还提供上述的具有抗偏移能力的无线电能传输LCC-S拓扑结构的参数设计方法，包括以下步骤：

(1)k为耦合系数，LCC-S拓扑结构输出功率极值点对应的耦合系数为：

定义参数：

a＝ω²L₁C₂，

b＝ω²L₁²，

A＝(1-a)²，其中0＜A＜1，

B＝R_P(R_S+R_o)

C＝b(R_S+R_o)²，

g＝ω²M²，

此时对应的g的取值为

当系统线圈以及负载确定之后，k_set、g_set随之确定；

其中，R_s为接收端内阻R_s的电阻大小，R_o为负载电阻R_o的电阻大小，所述发射端自感L_p和第一电容器C_p处于谐振状态，接收端自感L_s和第二电容器C_s处于谐振状态，谐振频率与逆变器工作频率相同为ω，于是有：L_p为发射端自感L_p的电感量，L_s为接收端自感L_s的电感量，R_p为发射端内阻R_p的电阻大小，L₁为补偿电感器L₁的电感量，C₂为补偿电容器C₂的电容量；

(2)定义参数P为：

在步骤(1)k_set、g_set和系统线圈以及负载确定的基础上代入P的定义求出P；

另有：

代入P，通过式(16)推导参数A的取值；

根据式(5)求出参数C的取值；

(3)根据参数C的定义，求出参数b的取值，进而根据参数b的定义，求出L₁的取值；

根据参数A的定义，求出参数a的取值，进而根据参数a的定义，求出C₂的取值；

(4)系统工作区间的耦合系数下限值为k_min，系统工作区间的耦合系数上限值为k_max，有：

最后得出LCC-S拓扑结构的功率平缓输出区间即系统工作的耦合系数区间为k_min-k_max。

有益效果

本发明所述的基于LCC-S拓扑结构及其设计流程具备在一定耦合系数变化范围内维持稳定功率传输的能力。在不改变系统其他部分如耦合机构等的前提下，仅依靠主电路拓扑结构的设计，可以通过引入新的参数增加系统设计的自由度，降低系统耦合系数的变化对输出功率的影响，并参照实际工况下系统耦合系数的额定工作点，根据所提出的设计流程，确定拓扑结构中补偿器件的设计计算公式，并给出以额定耦合系数点为中心的抗偏移功率平缓输出区间范围的确定公式。本发明以应用最为广泛的串-串结构作为比较提高对象，充分考虑系统输出功率的平缓输出进行参数设计，因此具有较强的应用型和适用性。同时，系统采用新型的拓扑结构，而不改变系统的耦合机构等其他部分，只是从电路的角度出发，所以易于改进，且具有良好的通用性，适用于各种功率等级的无线电能传输系统。相比于传统串-串结构，可以大大提高接收端维持电能传输稳定性即抗偏移的能力，且易于改进，具有良好的通用性，适用于各种功率等级的无线电能传输系统。从图3可以看出，在k_min-k_max的变化区间内，具体为0.19-0.31，在相同的输入激励电压情况下，LCC-S拓扑结构的功率波动在3.23％以内，而串-串结构的功率波动则达到220.37％，通过比较可以说明LCC-S拓扑结构可以显著地提高系统的抗偏移能力，且具有普适性，具有较高应用价值。

附图说明

图1是本发明所述应用于无线电能传输领域的具有抗偏移能力的LCC-S拓扑主电路结构图；

图2是用于实际工程领域的具有抗偏移能力的直流供电无线电能传输系统整体框图；

图3是系统工作耦合系数区间内串-串结构与LCC-S拓扑结构输出功率的变化曲线图；

图4是LCC-S拓扑结构当中各电路元器件参数的设计流程图。

具体实施方式

下面结合图1至图4说明本专利的实施方式及推导流程。

具体实施方式一具有抗偏移能力的LCC-S拓扑结构

本发明提供的LCC-S拓扑结构在传统串-串结构的基础上加入补偿电感器L1和补偿电容C2，用于增加系统设计过程当中引入参数的个数，提高设计的自由度，降低耦合系数的变化对于输出功率的影响。

如图1所示，在LCC-S拓扑结构图中，包括发射端和接收端，所述发射端包括交流逆变电压源Uin，第一电容器C_p，发射端自感L_p和发射端内阻R_p，接收端包括接收端自感L_s，接收端内阻R_s，负载电阻R_o和第二电容器C_s；在此基础上发射端还包括补偿电感器L₁和补偿电容器C₂；交流逆变电压源U_in的一端连接补偿电感器L₁的一端，补偿电感器L₁的另一端连接补偿电容器C₂的一端和第一电容器C_p的一端，补偿电容器C₂和第一电容器C_p并联，第一电容器C_p的另一端连接发射端自感L_p的一端，发射端自感L_p的另一端连接发射端内阻R_p的一端，发射端内阻R_p的另一端连接补偿电容器C₂的另一端和交流逆变电压源U_in的另一端；接收端自感L_s、接收端内阻R_s、负载电阻R_o、第二电容器C_s依次串联；其中，发射端自感L_p和第一电容器C_p处于谐振状态，接收端自感L_s和第二电容器C_s处于谐振状态，发射端自感L_p和接收端自感L_s之间存在互感M；其中，k为耦合系数，L_p为发射端自感L_p的电感量，L_s为接收端自感L_s的电感量。

所述交流逆变电压源内部为全桥逆变电路。所述接收端，在负载电阻R_o的两端之间设置整流滤波电路，采用不可控全桥整流电路以及电容器滤波。

具体实施方式二具体实施方式一所述拓扑结构的参数设计方法

(1)k为耦合系数，LCC-S拓扑结构输出功率极值点对应的耦合系数为：

定义参数：

a＝ω²L₁C₂，

b＝ω²L₁²，

A＝(1-a)²，其中0＜A＜1，

B＝R_P(R_S+R_o)

C＝b(R_S+R_o)²，

g＝ω²M²，

此时对应的g的取值为

当系统线圈以及负载确定之后，k_set、g_set随之确定；

其中，R_s为接收端内阻R_s的电阻大小，R_o为负载电阻R_o的电阻大小，所述发射端自感L_p和第一电容器C_p处于谐振状态，接收端自感L_s和第二电容器C_s处于谐振状态，谐振频率与逆变器工作频率相同为ω，于是有：L_p为发射端自感L_p的电感量，L_s为接收端自感L_s的电感量，R_p为发射端内阻R_p的电阻大小，L₁为补偿电感器L₁的电感量，C₂为补偿电容器C₂的电容量；

(2)定义参数P为：

在步骤(1)k_set、g_set和系统线圈以及负载确定的基础上代入P的定义求出P；

另有：

代入P，通过式(16)推导参数A的取值；

根据式(5)求出参数C的取值；

(3)根据参数C的定义，求出参数b的取值，进而根据参数b的定义，求出L₁的取值；

根据参数A的定义，求出参数a的取值，进而根据参数a的定义，求出C₂的取值；

(4)系统工作区间的耦合系数下限值为k_min，系统工作区间的耦合系数上限值为k_max，有：

最后得出LCC-S拓扑结构的功率平缓输出区间即系统工作的耦合系数区间为k_min-k_max。

上述参数设计方法的推导过程如下：

通过电路结构分析可知，LCC-S拓扑结构的输出功率表达式为：

式(1)中，U_in为交流逆变电压源U_in电压有效值定义参数a＝ω²L₁C₂，定义参数b＝ω²L₁²，在式(1)的基础上，取a＝0，b＝0，则式子就变成了传统串-串结构输出功率的表达式。可以看出，LCC-S拓扑结构相比传统结构来讲，系统输出功率的大小不仅由耦合系数所决定，同时还与新引入的参数变量a、b的取值有关，因此系统设计上的自由度得到了有效增强，用于提高系统的抗偏移能力，接下来就系统中各参数的选择及设计流程展开分析。

对于无线电能传输系统来说，系统的抗偏移特性主要指的就是系统输出功率的大小随耦合系数变化的不敏感性，表现在输出功率曲线当中，就是曲线随横坐标耦合系数变化的剧烈程度，从数学的角度出发，就是曲线在耦合系数工作区间内斜率的大小。由于本发明所采用的LCC-S拓扑结构对系统抗偏移能力的提高主要是相对于传统的串-串结构而言，因此在系统参数的设计上需要参考串-串的功率输出特性。

其中，式(1)给出了LCC-S拓扑结构的输出功率随耦合系数的变化情况，在这里为了便于分析，下面定义如下几个参数：

A＝(1-a)²，其中0＜A＜1

B＝R_P(R_S+R_o)

C＝b(R_S+R_o)²

g＝ω²M²，

其中：B与线圈和负载大小有关，当三者确定时，参数B为固定值；参数C由参数b和R_s、R_o决定；参数g用来表示耦合系数的变化情况。基于以上的定义，结合式(1)，于是LCC-S拓扑结构的输出功率可以表示为：

而在相同情况下，串-串结构输出功率的一般形式可以表示为：

其中两种结构的输出功率随耦合系数变化的曲线如图3所示。从中可以看出在系统负载的阻值保持不变的情况下，随着耦合系数的增加，LCC-S拓扑结构的输出功率P(k)曲线存在极值，当k取极值点k_set附近时则功率变化较为平坦，传输功率在k_set点附近波动最小，同时在k_set点取得最大传输功率。LCC-S拓扑的这种特性为平缓传输功率波动提供了可能，为了保证在一定k的范围内传输功率平稳，应当合理设定参数a、b和λ，使得k变化范围对应在k_set附近。为了能够最大程度上的利用LCC-S的功率平缓输出区间，将耦合系数变化范围的中间值作为k_set的取值，并作为额定耦合系数工作点，同时对应为系统未发生偏移时对应的耦合系数，其大小可以根据系统实际系统工作情况确定。把LCC-S拓扑结构所对应输出功率最大的点作为系统的额定工作点，并把此时对应的耦合系数定义为k_set，对应为系统未发生偏移时对应的耦合系数大小。将式(1)对M求导，令其等于0，可以得到LCC-S拓扑结构输出功率极值点对应的耦合系数为

根据之前参数的定义，此时对应的g的取值为

在串-串结构基础上，LCC-S拓扑满足以k_set为中心的功率平缓输出条件：

从图3可以看出，在一定的耦合系数范围内，LCC-S拓扑结构输出功率随耦合系数的变化相较于串-串结构的变化缓慢，基本保持稳定。为了确定相较于串-串结构，LCC-S结构最佳的耦合系数工作区间，在这里要从两种结构输出功率曲线随耦合系数变换的快慢角度分析，这一点可以通过斜率的大小进行比较。将式(2)和式(3)分别对g进行求导，得到了两种结构输出功率曲线的斜率表达式分别为：

其中k_LCC为本发明提供的拓扑结构的输出功率斜率，k_s-s为串-串结构的输出功率斜率。

同时，在一般情况下，当系统因发生偏移而未处在最佳位置时，耦合系数会因此而下降，为了比较斜率的大小，将两者斜率取绝对值并相除进行比较，如下所示

在式(7)中，为了使α>1，则取：

考虑之前设定的耦合系数工作区间，对式(8)进行整理，可以得到

其中0.5<A<1，根据耦合系数工作范围的设定，在这里选择第二条不等式作为参数C和A取值设定的条件，同时确定在LCC-S拓扑结构耦合系数工作区间的下限值k_min，上限为k_max，此时对应两种拓扑结构功率输出曲线斜率绝对值相同，即变化快慢程度相同的边界的值。

同时需要保证不等式成立，则有：

可以推导出：

由式(5)可知，当k_set确定之后，参数C与A的比值将是一个定值，为便于分析，在这里定义参数P为：

作为确定参数C和A的一个关系，另一个关系则利用变量g的最小值作为不等式判断条件即：

把式(12)代入式(13)，可以得到：

经过验证，式(14)满足式(11)，把式(12)代入式(11)，整理可得：

根据式(15)，可以求解参数A的取值范围，通过计算，并舍掉不满足0.5<A<1条件的结果，最终可以得到

对于参数P来说，根据式(5)可知，当k_set、g_set和系统线圈以及负载确定之后，参数P的值便可以求出，因此通过式(16)可以用来推导参数A的取值，当A的取值确定之后，根据式(5)可以求出参数C的取值，随之系统一次侧LCC拓扑结构中的电感量L1和电容量C2便可以求出，而B的取值只与系统线圈的状况有关。同时，将其代入式(9)的第二个不等式可以得出系统工作区间的耦合系数下限值k_min，即的计算表达式为：

此时系统工作区间的耦合系数上限值为k_max，最后可以得出LCC-S拓扑结构的功率平缓输出区间即系统工作的耦合系数区间为k_min-k_max。

从图3可以看出，在k_min-k_max的变化区间内，具体为0.19-0.31，在相同的输入激励电压情况下，LCC-S拓扑结构的功率波动在3.23％以内，而串-串结构的功率波动则达到220.37％，通过比较可以说明LCC-S拓扑结构可以显著地提高系统的抗偏移能力，且具有普适性，具有较高应用价值。

在实际应用中，常采用图2的用于实际工程领域的具有抗偏移能力的直流供电无线电能传输系统整体框图所示的系统。