可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法

摘要

本发明公开一种可自适应全调谐的无线电能传输电路参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。适用的无线电能传输电路包括依次相连的激励源、原边补偿网络、原边线圈L1、接收线圈L2、副边补偿网络、负载，还包括调谐线圈L3与附加补偿网络。它克服了现有补偿方式谐振元件参数与磁耦合器原、副边互感相关，在原副边相对位置发生变化时系统会偏离完全补偿点、失谐的缺点，无需复杂控制策略，即可在变耦合工况下实现与负载变化无关的恒压或恒流输出，同时在变耦合与负载范围内实现输入零无功。

说明书

技术领域

本发明属于无线充电领域，涉及一种可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法。

背景技术

感应式无线电能传输技术以非接触方式，通过磁场向用电设备进行安全可靠的电能传输，在电动汽车、AGV小车、内置式医疗装置、便携型电子产品等领域得到了广泛应用。无线电能传输系统中的核心部件是原副边分离的磁耦合器，较大的气隙使磁耦合器的漏感较大、激磁电感较小，传输的效率和有功功率低。因而无线电能传输系统中必须采用多元件谐振变换器，引入补偿拓扑，对漏感和激磁电感补偿,来提高电压增益和功率传输能力,同时减小环流损耗、提高变换效率。

通常，补偿元件(

其中，

其中，

为解决这一问题，常用的解决方法是引入动态调谐电路，根据互感变化，来动态地调整谐振元件的大小，使电路始终工作在谐振状态，如引入开关电容阵列、相控电感/电容、有源阻抗调节等，但动态调谐电路需要对电路中的电压、电流幅值或相位信息采样，且需要额外增加功率控制开关管和相应的驱动电路，大大地增加了系统控制难度和复杂度。

如何在不引入复杂控制策略的基础上，得到一种可以在错位工况下实现自调谐的无线电能传输拓扑成为重要的设计方向。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有补偿方式谐振元件参数与磁耦合器原、副边互感相关，在原副边相对位置发生变化时系统会偏离完全补偿点、失谐的缺点，提出一种可自适应调谐的无线电能传输电路的补偿网络参数设计方法，它具有谐振元件参数与磁耦合器互感变化无关、不易失谐的优点，同时能够实现与负载变化无关的恒压或恒流输出，在变耦合与负载范围内实现输入零无功。

本发明的目的是通过以下方案实施的：

一种可自适应全调谐的无线电能传输装置的补偿参数设计方法，适用的无线电能传输电路包括激励源、原边补偿网络、原边线圈

调谐单元的参数设计步骤如下：

步骤1：变换原副边之间的位置，获取各种情况下耦合系数

步骤2：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数；

对于调谐单元设置在副边侧情况，对步骤1获取的各种情况下的耦合系数

或者，对于调谐单元设置在原边侧情况，对步骤1获取的各种情况下的耦合系数

步骤3：设计附加补偿网络的电抗

对于调谐单元设置在副边侧情况，

对于调谐单元设置在原边侧情况，

其中，

进一步地，所述调谐单元放置在副边侧，所述调谐线圈与副边线圈互相解耦；或者，调谐单元放置在原边侧，所述调谐线圈与原边线圈互相解耦。

进一步参数设计如下：

a）所述原边补偿网络采用串联电容补偿结构，补偿电容

b）所述副边补偿网络省略或采用并联电容补偿结构；

对于副边补偿网络采用并联电容补偿结构情况，补偿电容

c) 所述调谐单元放置在副边侧。

进一步参数设计如下：

a)所述原边补偿网络采用并联电容补偿结构，补偿电容

b) 所述调谐单元放置在原边侧，参数设计步骤3中，常系数λ取值为1；

c) 所述副边补偿网络采用串联电容补偿结构，或LCL型补偿结构，或LCC型补偿结构；

对于副边补偿网络采用串联电容补偿结构情况，补偿电容

对于副边补偿网络采用LCL补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

对于副边补偿网络采用LCC补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

进一步参数设计如下：

a) 所述调谐单元放置在原边侧，原边补偿网络省略，参数设计步骤3中，常系数λ取值为1；

b) 所述副边补偿网络采用串联电容补偿结构，补偿电容

进一步参数设计如下：

a) 所述原边补偿网络采用LCL型补偿结构，包括补偿电感

b)所述调谐单元放置在原边侧，参数设计步骤3中，常系数λ取值为

c) 所述副边补偿网络采用串联电容补偿结构，或LCL补偿结构，或LCC补偿结构；

对于副边补偿网络采用串联电容补偿结构情况，补偿电容

对于副边补偿网络采用LCL补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

对于副边补偿网络采用LCC补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

进一步参数设计如下：

a)所述原边补偿网络采用LCC型补偿结构，包括原边补偿电感

b)所述调谐单元放置在原边侧，参数设计步骤3中，常系数λ取值为：

c)所述副边补偿网络采用串联电容补偿结构，或LCL补偿结构，或LCC补偿结构；

对于副边补偿网络采用串联电容补偿结构情况，补偿电容

对于副边补偿网络采用LCL补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

对于副边补偿网络采用LCC补偿结构情况，补偿网络包括补偿电感

进一步地，所述激励源为交流电压源，或为由直流源、逆变器、补偿网络构成的等效交流电压源。

进一步地，所述激励源为交流电流源，或为由直流源、逆变器、补偿网络构成的等效交流电流源；

进一步地，所述负载还采用相互连接的整流桥和用电负载。

本发明相比现有技术有如下优点：

1、现有串并、并串、

2、本发明的可自适应调谐的无线电能传输电路及补偿网络参数设计方法，通过设计补偿参数取值，使得谐振元件参数与磁耦合器原副边位置变化无关、不易失谐，无需复杂控制策略，即可在变耦合工况下实现与负载变化无关的恒压或恒流输出，同时在变耦合与负载范围内实现输入零无功。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是现有原边串联副边并联补偿电路拓扑。

图2是实施例一的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图3是本发明实施例一的等效电路图。

图4是本发明实施例二的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图5是附图4的等效电路图。

图6是本发明实施例三的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图7是附图6的等效电路图。

图8是实施例四的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图9是实施例五的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图10是实施例六的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图11是实施例七的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图12是实施例八的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图13是实施例九的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图14是实施例十的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图15是实施例十一的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图16是实施例十二的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图17是实施例十三的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图18是实施例十四的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑。

图19是本发明所用磁耦合装置的耦合系数测量结果。

图20是本发明所用磁耦合装置的耦合系数拟合结果。

图21是本发明实施例一在补偿位置处的开环增益和输入阻抗角的仿真曲线。

图22是本发明实施例一在变气隙时的开环增益和输入阻抗角的仿真曲线。

图23是现有串/并补偿拓扑在补偿位置处的开环增益和输入阻抗角的仿真曲线。

图24是现有串/并补偿拓扑在变气隙时的开环增益和输入阻抗角的仿真曲线。

图25是本发明实施例在不同耦合系数下仿真得到的输入阻抗角。

图中主要符号名称：

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供一种可自适应全调谐的无线电能传输装置的补偿参数设计方法，适用的无线电能传输电路包括激励源、原边线圈

本发明中，调谐线圈

对于调谐线圈

而对于调谐线圈

实施例一：

附图2是本发明的可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边串联补偿电容

下面结合附图2说明本发明可实现无线电能传输系统自适应全调谐的工作原理。区别于附图1所示的现有串/并补偿拓扑结构，附图2中额外引入了

其中

在本实施例中，将调谐单元设置在副边侧，调谐线圈

其中

基于基尔霍夫电压定律可对图2所示电路列写下述方程组：

其中，

由式(6)可解得流过副边线圈

进一步，可求得输出电压的表达式为：

其中

区别于传统的串/并补偿拓扑，本发明中设计原边串联补偿电容满足

可以看到，串联补偿电容

令∆=0，可以解得实现恒压输出调谐单元的回路阻抗需满足的条件为

相应地，附加补偿网络电抗

此时系统的输出电压为

显然，当调谐单元中附加补偿网络电抗满足公式(11)时，系统可输出与负载电阻无关的恒定输出电压。将式(11)代入式(6)，求得谐振变换器的输入阻抗为

设计副边并联补偿电容

将式(14)代入式(13)，可将输入阻抗表达式简化为

显然，此时输入阻抗为纯阻性。因此，本发明实施例一能够同时获得与负载无关的恒定电压输出与纯阻性输入阻抗。此外，由公式(9)、(11)与(14)可知，本发明实施例一中各补偿电容参数只与设计的谐振频率、绕组自感、比例系数

基于以上串/并补偿拓扑的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边并联补偿电容

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

对于磁解耦情况，可以通过优化

其中

基于变压器的互感模型，可求得副边线圈回路到原边线圈

则变换器的输入阻抗与输出电压表达式为

可以看到，输入阻抗的虚部同时受耦合系数

可以看到，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路与传统串/并补偿一样，可以获得与负载无关的恒定电压输出，纯阻性输入阻抗，同时，由于其原边串联补偿电容、副边并联补偿电容的参数只与设计的谐振频率与变压器自感相关，与磁耦合器互感变化无关，如式（16）所示，因而在变耦合系数工况下，如原副边磁耦合器气隙变化、错位偏移等，不易失谐，故所提可自适应全调谐的无线电能传输电路仍具有输出恒压与输入阻抗纯阻性的特性，这是本发明区别于传统串/并补偿电路的一个显著优点。

对于电路解耦情况，可以串入解耦电感或解耦电容的方式来抵消

实施例二：

附图4是本发明的可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边串联补偿电容

本实施例与实施例一的区别在于，引入了解耦电感来抵消

基于以上串/并补偿拓扑的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边并联补偿电容

E：设计附加补偿网络的电抗

实施例三：

附图6是本发明的可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边串联补偿电容

本实施例与实施例一的区别在于，串入了解耦电容来抵消

基于以上串/并补偿拓扑的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边并联补偿电容

E：设计附加补偿网络的电抗

实施例四:

附图8是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，相比于附图3中的无线电能传输电路，省略了副边并联补偿电容

可以看到，此时变换器的输入阻抗为感性，感性角与工作频率、接收线圈自感以及负载电阻相关。

实施例五~实施例十四为调谐单元设置在原边情况，其实现无线电能传输系统自适应全调谐的工作原理与实施例一类似，区别在于充电原副边相对位置改变时，调谐线圈与原边线圈的相对位置固定，耦合系数

实施例五:

附图9是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电流源、原边并联补偿电容

本实例中，将调谐线圈

基于以上并/串补偿拓扑的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边并联补偿电容

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

其中

可以看到，等效阻抗Z

基于电路基本定律，可求得变换器的输入阻抗为

可以看到，输入阻抗的虚部同时受耦合系数

可以看到，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路可以获得与负载无关的恒定电流输出，纯阻性输入阻抗，同时，由于其原边并联补偿电容、副边串联补偿电容的参数只与设计的谐振频率与变压器自感相关，与磁耦合器互感变化无关，不易失谐，如式（24）所示，因而在变耦合系数工况下，如原副边磁耦合器气隙变化、错位偏移等，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路仍具有输出恒流与输入阻抗纯阻性的特性。

实施例六：

附图10是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，其原边电路拓扑与附图9相同，副边补偿网络采用

基于原边串联补偿副边LCL补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边补偿元件参数：

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

可以看到，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路可以获得与负载无关的恒定电压输出，纯阻性输入阻抗，同时，由于其补偿元件参数只与设计的谐振频率与变压器自感相关，与磁耦合器互感变化无关，因而在变耦合系数工况下，如原副边磁耦合器气隙变化、错位偏移等，不易失谐，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路仍具有输出恒压与输入阻抗纯阻性的特性。

实施例七：

附图11是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，其原边电路拓扑与附图9相同，副边补偿网络采用

基于原边串联补偿副边LCC补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边串联补偿电容

D：设计副边补偿元件参数满足

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

实施例八：

图12是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边线圈

基于单副边串联补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计副边补偿元件参数满足

D：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

其中

基于变压器的互感模型，可以求得谐振变化器输出电压为

可以看到，负载电阻

显然，本实施例的谐振变换器可始终输出与负载变化无关的恒定电压，此外，如式(30)所示，补偿元件参数只与设计的谐振频率、变压器自感以及比例系数相关，因而在变耦合系数工况下，如原副边磁耦合器气隙变化、错位偏移等，电路不易失谐，可始终工作在全调谐状态。

实施例九：

图13是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边线圈

基于原边LCL补偿副边串联补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边补偿电感

D：设计副边串联补偿电容参数：

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

可以看到，输入阻抗的虚部同时受耦合系数

显然，此时输入阻抗为纯阻性，因此利用调谐线圈

进一步，还可以求得满足所设计补偿参数时，变换器的输出电流增益为

可以看到，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路还可以获得与负载无关的恒定电流输出，由于其原、副边补偿元件参数只与设计的谐振频率、变压器自感、以及比例系数相关，因而在变耦合工况下不易失谐，原副边相对位置改变时，所提可自适应全调谐的无线电能传输电路始终工作在全调谐状态，具有输出恒流与输入阻抗纯阻性的特性。

实施例十：

图14是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边线圈

基于双边LCL补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边补偿电感

D：设计副边补偿电感

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

显然，本实施例具有输入阻抗纯阻性、输出电压与负载电阻无关的特性。利用调谐线圈

实施例十一：

图15是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边线圈

基于原边LCL补偿副边LCC补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边补偿电感

D：设计副边补偿电感

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

显然，本实施例具有输入阻抗纯阻性、输出电压与负载电阻无关的特性。利用调谐线圈

实施例十二：

图16是本发明的一种可自适应全调谐的无线电能传输电路，包括电压源、原边线圈

基于原边LCC补偿副边串联补偿的可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法如下：

A：变换原副边间的相对位置，获取各种情况下耦合系数

B：利用线性函数对获得的耦合系数进行拟合，得到拟合函数

C：设计原边补偿电感

D：设计副边串联补偿电容

E：设计附加补偿网络的电抗

优选地，调谐线圈

本实例中的副边补偿网络也可采用LCL、LCC补偿结构，如图17、18所示，图17、图18分别对应本发明实施例十三与实施例十四的可自适应全调谐的无线电能传输电路拓扑，其原边补偿元件参数设计与实施例十二相同，副边补偿元件参数设计分别与实施例十、实施例十一相同，以获得与负载无关的恒压输出，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

仿真实例：

为验证本发明的优越性与可行性，利用saber仿真软件，对附图2所示的本发明可自适应全调谐的无线电能传输电路实施例一进行了仿真。

具体的仿真参数如下所示：

图19给出了所用磁耦合装置在变气隙工况下耦合系数的测量结果，采用Matlab或Excel软件用线性函数对

为证明本发明的优越性，采用图1所示现有原边串联副边并联(串/并)补偿拓扑进行仿真研究，附图23、24分别给出了现有串/并补偿拓扑在补偿位置处(

图25为应用实施例一在不同耦合系数下仿真得到的输入阻抗角，其中工作频率为40