无线电能传输系统中双边LCC补偿电路的参数分析方法与流程

本发明属于无线电能传输的技术领域，具体涉及一种无线电能传输系统中双边lcc补偿电路在恒流和恒压模式下实现零相角输入特性的参数分析方法。

背景技术：

感应耦合电能传输(inductivepowertransfer，ipt)技术因其能有效解决传统有线充电方案中插拔电火花、线路老化、机械磨损以及雨雪环境影响等问题，其在医疗设备、消费电子和电动汽车等领域的应用越来越广泛。

合理的恒流和恒压输出充电方式可有效延长无线充电系统中电池的使用寿命，零相角输入特性能减小系统所需的伏安容量，器件电流、电压应力和开关损耗。针对无线充电系统中同时实现上述输出和输入特性常用的方法是在能量接收端添加dc/dc变换器，控制系统实现恒流或恒压输出；在能量发射端通过变频控制实现与负载无关的零相角输入。但是dc/dc变换器无疑增加了器件数量、相应的成本和损耗，变频控制也会因为频率分叉现象导致系统不稳定。为简化控制，仅从电路拓扑结构进行分析，发现无线充电系统中所有拓扑均为高阶谐振电路，通过设计合理的谐振条件，能实现与负载无关的恒流或恒压输出特性，以及零相角输入特性。比如基于串串(series-series，s-s)补偿的无线能量传输系统中原、副边补偿电容分别用于补偿原、副边自感时，能实现恒流输出和零相角输入；而串并(series-parallel，s-p)结构在恒压输出模式下能实现零相角输入特性。因此，通过改变电路结构(串串变成串并结构)能实现恒流和恒压输出，同时恒流和恒压模式下均能实现零相角输入特性，但是改变拓扑结构增加了相应的控制电路和损耗。此外，针对无线电能传输系统中较高阶谐振拓扑(比如lcc-series和双边lcc补偿拓扑)，可通过计算其输出电流和电压以及输入阻抗数学模型，既能得到实现恒流和恒压输出，也能得到实现与负载无关的零相角输入特性的条件，但是计算其输入和输出数学模型非常复杂且参数设计也较困难。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种无线电能传输系统中双边lcc补偿电路在恒流和恒压模式下实现零相角输入特性的参数分析方法，能够简化设计步骤。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种无线电能传输系统中双边lcc补偿电路的参数分析方法，其特征在于：lps、lss和m为松耦合变压器的原边自感、副边自感和互感；变压器原边补偿电路包括原边串联补偿电感lpsdlcc、原边并联补偿电容cppdlcc和原边串联补偿电容cpsdlcc；lssdlcc、cspdlcc和cssdlcc构成副边补偿电路；

松耦合变压器用其漏感模型进行等效，lpl、lm和lsl为原边漏感、励磁电感和副边漏感；并将副边补偿电路等效到原边，l'ssdlcc、c'spdlcc和c'ssdlcc为等效后的副边补偿网络；

将原边并联补偿电容cppdlcc等效成xppdlcc-c1和xppdlcc-c2电抗分量的并联，并联励磁电感lm等效成xm-c1和xm-c2的并联，原边串联补偿电容cpsdlcc和原边串联感lpl构成的支路等效成xepsdlcc-c1和xepsdlcc-c2的串联，副边串联电感l′sl和副边串联补偿电容c′ssdlcc构成的支路等效成x′essdlcc-c1和x′essdlcc-c2的串联，从而双边lcc补偿拓扑等效成3级正lc电路和2级反lc电路的串联，作为恒流模型，再对参数进行分析；

将原边并联补偿电容cppdlcc等效成xppdlcc-v1和xppdlcc-v2电抗分量的并联，并联电感lm等效成xm-v1和xm-v2的并联，副边并联补偿电容c'spdlcc等效成c'spdlcc-v1和c'spdlcc-v2的并联，原边串联补偿电容cpsdlcc和原边串联感lpl构成的支路等效成xepsdlcc-v1和xepsdlcc-v2的串联，副边串联电感l′sl和副边串联补偿电容c′ssdlcc构成的支路等效成x'essdlcc-v1和x'essdlcc-v2的串联，从而双边lcc补偿拓扑等效成3级正lc电路和3级反lc电路的串联电路，作为恒压模型，再对参数进行分析。

按上述方案，恒流模型中的等效变量表示如下：

式中，ωdlcc-c为双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的跨导时的角频率，j为虚部。

按上述方案，当满足公式(1)时，则实现与负载无关的恒流输出；当同时满足公式(1)和(2)时，则实现与负载无关的恒流输出和与负载无关的零相角输入特性：

按上述方案，恒压模型中的等效变量表示如下：

式中，ωdlcc-v为双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的跨导时的角频率。

按上述方案，当满足公式(3)时，则实现与负载无关的恒压输出；当同时满足公式(3)和(4)时，则实现与负载无关的恒压输出和与负载无关的零相角输入特性：

按上述方案，恒流模型中的等效变量表示如下：

恒压模型中的等效变量表示如下：

当同时满足公式(1)、(2)、(3)和(4)时，则实现与负载无关的恒流输出和与负载无关的零相角输入特性，以及与负载无关的恒压输出和与负载无关的零相角输入特性；

本发明的有益效果为：采用本发明方法，能够针对无线电能传输系统中目前最高阶谐振拓扑——双边lcc谐振电路——的参数提供最简化的分析方法，能够同时分析其实现与负载无关的恒流和恒压输出特性以及在恒流和恒压模式下实现与负载无关的零相角输入特性，从而简化设计步骤。

附图说明

图1为感应耦合无线电能传输系统原理图。

图2为本发明一实施例的等效电路。

图3为本发明一实施例的恒流输出等效电路。

图4为本发明一实施例的恒压输出等效电路。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，感应耦合无线电能传输系统由dc/ac逆变器、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网络、整流器和负载组成。所述的松耦合变压器包括能量发射(原边)线圈lps和能量接收(副边)线圈lss组成；整流器为带有电容滤波的ac/dc整流器。

对于图1感应耦合电能传输系统中双边lcc补偿拓扑电路，将松耦合变压器用漏感模型进行等效，即可得到如图2所示的等效电路。

将原边并联补偿电容cppdlcc等效成cppdlcc-c1和cppdlcc-c2电抗分量的并联，并联励磁电感lm等效成xm-c1和xm-c2的并联，原边串联补偿电容cpsdlcc和原边串联漏感lpl构成的支路等效成xepsdlcc-c1和xepsdlcc-c2的串联，副边串联漏感l′sl和副边串联补偿电容c′ssdlcc构成的支路等效成x′essdlcc-c1和x′essdlcc-c2的串联，从而双边lcc补偿拓扑等效成3级正lc电路和2级反lc电路的串联，作为恒流模型，如图3所示。

其中等效变量可表示为，

式中ωdlcc-c为双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的跨导时的角频率，j为虚部。

双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的跨导(或输出电流)和零相角的谐振条件分别可表示为，

双边lcc补偿拓扑在满足式(1)的谐振条件下，可得其与负载无关的跨导gdlcc-c(或输出电流i′abdlcc)的数学模型为

式中，uab为双边lcc补偿拓扑输入电压。

在式(1)和(2)的谐振条件下，双边lcc补偿拓扑与负载无关的纯阻性输入阻抗zindlcc-c可表示为

r'ac为等效到原边的交流负载电阻。

将原边并联补偿电容cppdlcc等效成xppdlcc-v1和xppdlcc-v2电抗分量的并联，并联励磁电感lm等效成xm-v1和xm-v2的并联，副边并联补偿电容c'spdlcc等效成c'spdlcc-v1和c'spdlcc-v2的并联，原边串联补偿电容cpsdlcc和原边串联感lpl构成的支路等效成xepsdlcc-v1和xepsdlcc-v2的串联，副边串联电感l′sl和副边串联补偿电容c′ssdlcc构成的支路等效成x'essdlcc-v1和x'essdlcc-v2的串联，从而双边lcc补偿拓扑等效成3级正lc电路和3级反lc电路的串联电路，作为恒压模型，如图4所示。

其中等效变量可表示为，

式中ωdlcc-v为双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的电压增益时的角频率，j为虚部。

双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的电压增益(电压输出)和零相角的谐振条件分别可表示为，

双边lcc补偿拓扑在满足式(3)的谐振条件下，可得与负载无关的电压增益gdlcc-v(输出电压u′abdlcc)数学模型为

在式(3)和(4)的谐振条件下，双边lcc补偿拓扑与负载无关的纯阻性输入阻抗zindlcc-v可表示为

上述分析可得出：双边lcc补偿拓扑在满足式(1)的谐振条件，可实现与负载无关的恒流输出；当满足式(3)的谐振条件，可实现与负载无关的恒压输出。同时满足式(1)和(2)时，双边lcc补偿拓扑可实现与负载无关的恒流输出和与负载无关的零相角输入特性；同时满足式(3)和(4)时，双边lcc补偿拓扑实现与负载无关的恒压输出和与负载无关的零相角输入特性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。