复合谐振式ecpt系统及其参数设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种复合谐振式ECPT系统及其参数设 计方法。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT)实现了电源到负载的无线供 电，摆脱了直接电接触对设备的束缚。电场親合无线电能传输（Electric-fieldCoupled PowerTransfer，ECPT)技术以其轻便、低福射、親合机构多样等优点成为无线电能传输领 域新的研究热点。国内外专家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模 集成电路，无线充电器及电动汽车等诸多应用领域展开研究。
[0003] 但现有的ECPT系统设计大多关注单一负载的电能无线传输，关于多个负载同时 工作的ECPT系统还未见相关文献报道。对于有多个负载工作的系统，其中任意一个或多个 负载可能会随机变化，特别是负载的投入或切除，都将会影响系统中正在工作的负载的输 出电压或电流从而造成输出的不稳定，并且会引起耦合机构的激励电压不稳定从而影响系 统的传输性能。
【发明内容】
[0004] 为了使得系统的输出电压或电流以及耦合机构激励电压不会随着负载的变化而 变化，即要求系统具有负载无关性，本发明提出了一种复合谐振式ECPT系统，以系统需要 恒流输出特性的应用场合为例，构建了以n型CLC为原边谐振网络、T型CLC为副边谐振网 络的适用于动态多负载的复合谐振式ECPT系统，消除了多个负载投切过程中的相互影响， 具体的技术方案如下：
[0005] -种复合谐振式ECPT系统，由一个发射系统和多个拾取系统构成，所述发射系统 包括整流调压电路、高频逆变电路、原边谐振网络、原边补偿电路和发射电极，所述拾取系 统包括拾取电极、副边谐振网络、整流滤波电路以及用电负载，所述发射电极采用阵列式发 射电极，所述拾取电极采用两块独立的电极板构成，拾取电极与发射电极之间通过电场耦 合实现无线电能传输，其关键在于：所述原边谐振网络是由电容Cnl、电容Cn2以及电感L" 构成的n型CLC网络，所述副边谐振网络是由电容Ctl、电容Ct2以及电感1^构成的T型CLC 网络；
[0006] 所述n型CLC网络中A=Zf，乙表示电感U的感抗，表示电容ctl的 容抗，网络的归一化角频率为1，电容Cnl与电容Cn2的容值比为1 ;
[0007] 所述T型CLC网络中, 2；表示电感1^的感抗，I分 i {L i2 -I"(-Y.1 C.-,〇 别表示电容ctl与电容ct2的容抗，网络的归一化角频率
At为电容ctl与 电容ct2的容值比。
[0008] 针对高频逆变电路输出电流的谐波引起的环流问题，在所述高频逆变电路和原边 谐振网络之间设置有谐波抑制电路，所述谐波抑制电路由电感Lf，电容Cf以及电感Ly构成， 其中电感Lf与电容Cf并联形成带通滤波器连接在高频逆变电路的两个输出端之间，电感Ly 串接在电容Cf与电容Cnl的一端之间。
[0009] 为了保证电压和电流的倍升能力，本发明还提出了一种复合谐振式ECPT系统的 参数设计方法，具体按照以下步骤进行：
[0010] 步骤1 :选定激励电压vn2以及工作频率f;
[0011] 步骤2 :设定每个拾取系统的用电负载的额定阻值Ri以及额定电流需求I
[0012] 步骤3 :根据T型CLC网络在| = #% | + |状态下的特性计算每个拾取系统 副边谐振网络的元件参数，包括电容Ctl、电容Ct2以及电感Lt;
[0013] 步骤4 :根据所有拾取系统同时工作时n型CLC网络的品质因素计算电容cn2的 容值；
[0014] 步骤5 :判断只有一个拾取系统工作时n型CLC网络的品质因素Q"i是否使得电 容Cnl的电压不低于S谐波的电压值，如果是，则进入步骤6,否则返回步骤2调整拾取系 统的用电负载R以及电流需求
[0015] 步骤6 :根据n型CLC网络在.|Z& | =jZq|狀态下的特性计算原边谐振网络的元 件参数，包括电容cnl以及电感L
[0016] 步骤7 :计算原边谐振网络的电流输入Iin和所需的直流输入I
[0017] 步骤8 :判断谐波抑制条件是否满足，如果满足，则验证元件参数，电路设计结束； 否则返回步骤2,调整拾取系统的用电负载民以及电流需求I
[0018] 进一步地，步骤3中，T型CLC网络在|Z/(| = |ZQ| + |Ze:|状态下，输出
可络增孟
T型CLC网络 的品质因数且QT= 1/(?。(^2民）。
[0019] 本发明的显著效果是：
[0020] 本发明提出了一种发射端采用n型CLC谐振网络，拾取侧采用T型CLC谐振网络 的复合谐振式ECPT系统，以及该系统主要的参数设计方法，系统运行中，当某个负载发生 随机变化时，不会影响到该负载以及其他负载的输出电流和耦合机构激励电压；针对逆变 器引起的环流问题，设计了相应的谐波抑制电路，有效地降低了三次五次谐波幅值。
【附图说明】
[0021] 图1是复合谐振式ECPT系统的电路原理框图；
[0022] 图2是本发明的电路拓扑结构图；
[0023] 图3是T型CLC谐振网络的电路原理图；
[0024] 图4是n型CLC谐振网络的电路原理图；
[0025] 图5是谐波抑制电路的电路原理图；
[0026] 图6是系统的伯德图；
[0027] 图7是系统主要参数的设计流程图；
[0028] 图8是三负载运行的仿真波形；
[0029] 图9是单负载运行的仿真波形；
[0030] 图10是n型CLC谐振网络运行时的实验波形；
[0031] 图11是T型CLC谐振网络运行时的实验波形。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】以及工作原理作进一步详细说明。
[0033] 如图1所示为一种适用于动态多负载的复合谐振式ECPT系统的原理框图，发射系 统由整流调压电路、高频逆变电路、原边谐振网络、补偿电路和阵列发射电极P组成，拾取 系统由拾取电极31和52、副边谐振网络、整流滤波电路和用电负载组成，拾取系统可以有多 个，数量取决于发射电极P的面积。工频电通过整流调压电路后，由高频逆变电路形成交变 电压，再经由谐振网络和补偿电路后激励发射电极P产生高频电场，发射电极P由多个子电 极组成以提升拾取系统的灵活性。当有多个拾取系统放置在电极P上时，仅给与拾取电极 相耦合的子电极供电。从图中可以看出，交变电场在拾取电极SJPS2±感应出电势差，再 经由整流滤波环节之后供电给负载。为了提升传输功率，原边谐振网络将逆变电路的输出 电压抬升至更高等级的激励电压；为了减小流经补偿电路的电流以降低损耗，副边谐振网 络作用是提升输出电流，PJPSJPjPS2)组成一对集总电容，由于容值较小因而需要补偿 电路以减弱高容抗对能量传输的阻碍。
[0034] 图2为适用于需要恒定电流输出特性应用场合的复合谐振式ECPT系统，工频市电 通过整流调压电路和电流型逆变电路，在控制器的调节下为后级电路提供恒幅恒频的方波 电流。
[0035] 从图2可以看出，原边谐振网络是由电容Cnl、电容Cn2以及电感Ln构成的n型 CLC网络，副边谐振网络是由电容Ctl、电容Ct2以及电感Lt构成的T型CLC网络，图中Ctl」、 (；12和Ltl组成第1个拾取系统的T型CLC网络，Ctjl、Ctj_#PLtj组成第j个拾取系统的T 型CLC网络，为了简化逆变器驱动电路的设计，系统采用定频控制。当某一个拾取系统投切 时，总的等效耦合电容将发生改变，此时需调节可变调谐电感k与总等效耦合电容处于谐 振状态，有关子电极的定位切换控制与调谐电感的调节的具体方法可参见文献：ChaoL，Hu AP,WangB,etal.ACapacitivelyCoupledContactlessMatrixChargingPlatform WithSoftSwitchedTransformerControl[J].IEEETransactionsonIndustrialElec tronics, 2013, 60(1):249-260.
[0036] 图2中右边虚框所示为用于拾取系统的T型CLC谐振网络。以拾取系统1为例， 拾取电压用Vin表示，则拾取系统可表示为图3,其中Ctl、Ct2、Lt，分别对应于Ctll、Ctl2、Ltl， 根据支路之间的阻抗关系，谐振网络可分为三种工作模态：
[0037]
[0038] 其中z,、Zq、分别表示电感Lt、电容Ctl、Ct2的电抗。
[0039] T型CLC谐振网络在拓扑上关于电感Lt对称，在电气特性上模态一和模态三具有 对称性，因此以下仅分析模态一和模态二