基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统及其设计方法
技术领域
1.本发明属于无线电能传输领域，涉及一种基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统及其设计方法。
背景技术：
2.无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术通常指一种以电磁场作为中继能量，将电能以非接触方式从发射端隔空传输到接收端的电能传输方式。因为没有频繁插拔带来的磨损和放电等问题，所以无线电能传输有着比传统有线输电方式更加便捷灵活和安全可靠的优点。磁耦合谐振式无线电能传输是一种较为热门的无线电能传输方式，其原理是发射线圈在高频电源的激励下产生高频磁场，耦合的接收线圈在高频磁场的作用下产生电流，实现无线电能传输。然而，由于中距离无线电能传输的工作频率较高，桥式逆变电路无法适配中距离无线电能传输的工作频率，使得桥式逆变电路无法作为中距离无线电能传输的逆变电源。
3.公开号为cn108183560a的发明专利公开了一种基于e类逆变器的无线电能传输系统，但其采用了传统e类逆变器，补偿网络和闭环控制只能减小而无法消除负载变动时的开关管导通电压，因此无法实现输出电压恒定且无法实现e类软开关，故e类逆变器的开关管在导通和关断时电压电流波形交叠产生开关管功率损耗，导致工作效率降低。
技术实现要素：
4.本发明实施例的目的在于提供一种基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统及其设计方法，以解决现有的桥式逆变电路无法作为中距离无线电能传输的逆变电源的问题，以及现有的基于e类逆变器的无线电能传输系统，在负载变动时工作效率降低且无法实现输出电压恒定的问题。
5.本发明实施例所采用的技术方案是：基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统，包括：
6.低频整流稳压电路，用于对电网电压进行整流、稳压，输出直流电压；
7.高频逆变电路，用于对低频整流稳压电路输送的直流电压进行逆变，输出正弦交流电；
8.三线圈磁耦合谐振电路，用于对正弦交流电进行无线电能传输；
9.高频整流稳压电路，用于对三线圈磁耦合谐振电路的交流输出进行整流、稳压，输出直流电压给负载；
10.其中，所述的高频逆变电路采用恒压输出e类逆变器。
11.进一步的，所述的恒压输出e类逆变器包括直流馈电电感lf、开关管s、并联电容c
p
、串联电容cs和串联电感ls，其中：
12.开关管s的栅极接控制信号，开关管s的源极与漏极之间通过三个并联回路连接：
第一并联回路由直流馈电电感lf与直流电压v
in
串联组成，第二并联回路由并联电容c
p
组成，第三并联回路由串联电容cs、串联电感ls、三线圈磁耦合谐振电路依次串联组成。
13.进一步的，恒压输出e类逆变器的串联电感ls与开关管s的漏极之间连接由发射线圈l1和第一调谐电容c1组成的发射回路，发射线圈l1与中继线圈l2同向耦合，中继线圈l2与第二调谐电容c2组成串联回路，中继线圈l2与接收线圈l3同向耦合，接收线圈l3与第三调谐电容c3以及接收侧负载r
l
组成串联回路。
14.本发明实施例所采用的另一技术方案是：如上所述的基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统的设计方法，包括如下步骤：
15.步骤s1：根据接收侧的额定负载和输出电压设计三线圈磁耦合谐振电路的参数，包括线圈自感、线圈互感、线圈所用利兹线线径和调谐电容大小；
16.步骤s2：根据三线圈磁耦合谐振电路的参数，设计线圈尺寸、空间结构和绕制方式；
17.步骤s3：根据三线圈磁耦合谐振电路接收侧的额定负载等效到其发射侧的等效负载r
eq
，计算恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数，包括直流馈电电感lf、并联电容c
p
、串联电容cs、串联电感ls；
18.步骤s4：根据计算出的恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数设计恒压输出e类逆变器并进行仿真验证，通过仿真结果进一步调整恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数。
19.进一步的，步骤s3的具体计算过程如下：
20.首先，给定恒压输出e类逆变器的开关管s的输出电流角频率ω，由选定的品质因数q和等效电阻r
eq
，根据q＝ω*ls/r
eq
得到串联电感ls；
21.通过以下过程确定直流馈电电感lf、并联电容c
p
、串联电容cs的大小：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
[0028][0029]
其中，ω
in
为输入lc滤波回路角频率，输入lc滤波回路指恒压输出e类逆变器电路的串联电容cs和串联电感ls组成的串联回路；θ是恒压输出e类逆变器的输出电流的相位；p是给定的自定义的与电路参数有关的变量，v
in
为输入的直流电压，i1是恒压输出e类逆变器的输出电流的幅值，i1＝vr/r
eq
，vr为等效负载r
eq
的电压即基频下恒压输出e类逆变器的输出电压幅值；l
x
为剩余电感，v
x
为基频下恒压输出e类逆变器剩余电抗的电压幅值，π为圆周率；v
ds
(ωt)为开关管s在t时刻的漏源极电压。
[0030]
进一步的，不同占空比d下的q和θ值通过以下计算公式确定：
[0031]
πdq+tan[πq(1-d)]＝0；
[0032][0033]
进一步的，不同占空比d下的q和θ值分别为：
[0034][0035][0036]
本发明实施例的有益效果是：
[0037]
1、提出的恒压输出e类逆变器在只满足zvs条件的情况下也可以实现高效率传输，同时也可以在负载变动的情况下实现输出电压恒定，解决了现有的基于e类逆变器的无线电能传输系统，在负载变动时工作效率降低且无法实现输出电压恒定的问题；
[0038]
2、采用恒压输出e类逆变器作为三线圈无线电能传输的逆变电源，解决了由于中距离无线电能传输的工作频率较高，桥式逆变电路无法作为中距离无线电能传输的逆变电源的问题。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是三线圈无线电能传输系统的结构示意图。
[0041]
图2是恒压输出e类逆变器电路图。
[0042]
图3是三线圈无线电能传输系统的电路原理图。
[0043]
图4是负载变化时输出电压v
ds
波形图。
[0044]
图5是负载变化时开关管的输出电压v
out
波形图。
[0045]
图6是等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
波形图。
[0046]
图7是等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
的频谱图。
[0047]
图8是等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
滤波后的波形图。
[0048]
图9是等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
滤波后的的频谱图。
[0049]
图10是等效电阻r
eq
为无穷大时开关管的输出电压v
out
波形图。
[0050]
图11是等效电阻r
eq
为无穷大时开关管的输出电压v
out
的频谱图。
[0051]
图12是等效电阻r
eq
为无穷大时开关管的输出电压v
out
滤波后的波形图。
[0052]
图13是等效电阻r
eq
为无穷大时开关管的输出电压v
out
滤波后的的频谱图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
实施例1
[0055]
基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统，如图1所示，包括：
[0056]
低频整流稳压电路，用于对电网电压进行整流、稳压，输出直流电压；
[0057]
高频逆变电路，用于对低频整流稳压电路输送的直流电压进行逆变，输出正弦交流电；
[0058]
三线圈磁耦合谐振电路，用于对正弦交流电进行无线电能传输；
[0059]
高频整流稳压电路，用于对三线圈磁耦合谐振电路的交流输出进行整流、稳压，输出直流电压给负载；
[0060]
其中：
[0061]
三线圈磁耦合谐振电路中，发射线圈产生的高频磁场在中继线圈中感应出电流，中继线圈中的电流产生的高频磁场在接收线圈中感应出电流，完成三线圈无线电能传输；
[0062]
所述的高频逆变电路采用恒压输出e类逆变器，基于恒压输出e类逆变器和调谐到工作频率的三线圈磁耦合谐振电路，在忽略线圈内阻的情况下，当e类逆变器实现恒压输出时，负载r
l
上的电压也能维持恒定。
[0063]
恒压输出e类逆变器的电路如图2所示，包括直流馈电电感lf、开关管s、并联电容c
p
、串联电容cs和串联电感ls，开关管s的栅极接控制信号，开关管s的源极与漏极之间通过三个并联回路连接：第一并联回路由直流馈电电感lf与直流电压v
in
串联组成，第二并联回
路由并联电容c
p
组成，第三并联回路由串联电容cs、串联电感ls、三线圈磁耦合谐振电路依次串联组成。
[0064]
基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统的电路如图3所示，恒压输出e类逆变器的串联电感ls与开关管s的漏极之间连接由发射线圈l1和第一调谐电容c1组成的发射回路，发射线圈l1与中继线圈l2同向耦合，中继线圈l2与第二调谐电容c2组成串联回路，中继线圈l2与接收线圈l3同向耦合，接收线圈l3与第三调谐电容c3以及接收侧负载r
l
组成串联回路。
[0065]
实施例2
[0066]
本实施例提出一种基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统的设计方法，包括如下步骤：
[0067]
步骤s1：根据接收侧的额定负载和输出电压设计三线圈磁耦合谐振电路的参数，包括线圈自感、线圈互感、线圈所用利兹线线径和调谐电容大小，调谐电容的作用是使线圈工作在谐振状态，谐振频率与电源频率一致；
[0068]
步骤s2：根据三线圈磁耦合谐振电路的参数，设计线圈尺寸、空间结构和绕制方式，包括线圈直径、线圈匝数、线圈匝间距和线圈间距；
[0069]
步骤s3：根据三线圈磁耦合谐振电路接收侧的额定负载等效到其发射侧的等效负载r
eq
和电压vr，计算恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数，包括直流馈电电感lf、并联电容c
p
、串联电容cs、串联电感ls；
[0070]
步骤s4：根据计算出的恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数，即直流馈电电感lf、并联电容c
p
、串联电容cs、串联电感ls设计恒压输出e类逆变器并进行仿真验证，通过仿真结果进一步调整恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数，因开关管s含有一定的寄生电容，因此需要根据仿真结果进一步调整恒压输出e类逆变器的c
p
大小，并微调lf以及cs大小，这是因为仿真时使用的开关管采用的不是理想模型，而是非常接近实际开关管的spice模型，其寄生输出电容大小与漏源电压有关，需要自行调节；
[0071]
步骤s5：根据仿真调整后的恒压输出e类逆变器的电路各元器件参数，结合图1搭建基于恒压输出e类逆变器的三线圈无线电能传输系统，搭建过程中，要尽可能将恒压输出e类逆变器电路的元器件连线做短，以减小电路中的杂散参数。
[0072]
传统的e类逆变电路可以通过零电压开关(zero voltage switch，zvs)和零导数开关(zero derivative switch，zds)条件实现软开关，以达到高效率的目的。但通常的用电设备需要恒定的输入电压，而且输入功率根据实际需求会在零到额定功率之间变动，所以实际等效到高频逆变电路的等效负载是变化的。在负载发生变动时，传统e类逆变器无法达到最优工作状态，而且输出电压会发生变化。而本发明实施例采用的恒压输出e类逆变器通过牺牲zds条件，在只满足zvs条件的情况下也可以实现高效率传输，同时也可以在负载r
l
变动的情况下实现输出电压恒定。因此，步骤s3的具体实现过程如下：
[0073]
对于如图2所示的恒压输出e类逆变器电路，根据三线圈磁耦合谐振电路接收侧的额定负载r
l
，计算其发射侧的等效电阻r
eq
，假设开关管s先关断后导通，则：
[0074]
[0075][0076]
式中，ω
in
为输入lc滤波回路角频率，输入lc滤波回路指图2所示的恒压输出e类逆变器电路的串联电容cs和串联电感ls组成的串联回路，z
in
为定义的与直流馈电电感lf以及并联电容c
p
有关的变量。
[0077]
计算开关管s的漏源极电压v
ds
(ωt)，由zvs条件结合开关管s的漏源极电压v
ds
(ωt)，推导得到：
[0078][0079]
式中，v
in
为直流电压，q为输入lc滤波回路角频率ω
in
与输出电流角频率ω的比值，即ω为开关管s和恒压输出e类逆变器的输出电流角频率；i1是恒压输出e类逆变器的输出电流的幅值；θ是恒压输出e类逆变器的输出电流的相位，d为占空比，π为圆周率。
[0080]
实现恒压输出，即在负载变化时保持输出电压不变，根据欧姆定律，负载变化时输出电压不变，则e类逆变器输出电流i1变化，电路仍需保持正常工作，即电路参数与输出电流i1大小无关，所以式中含i1项的系数为零，同时为满足zvs条件，不含i1项的系数也为零，即可得到：
[0081]
πdq+tan[πq(1-d)]＝0；
[0082][0083]
即可解出q和θ，进而计算出恒压输出e类逆变器电路的各元器件参数：
[0084]
p是自定义的与电路参数有关的变量，i1是恒压输出e类逆变器的输出电流幅值，i1＝vr/r
eq
，将v
ds
(ωt)的计算公式化简为不同占空比d下的含有p的表达式：
[0085][0086]-cos(qωt-2π(1-d)q)-qcos(ωt+θ)(1-cos(2π(1-d)q)))
[0087]
利用三角傅里叶变换得到基频下恒压输出e类逆变器的输出电压幅值vr和剩余电抗的电压幅值v
x
：
[0088]
[0089][0090]
给定工作角频率ω和p值，带入v
ds
(ωt)求解得到基频下恒压输出e类逆变器的输出电压幅值vr和剩余电抗的电压幅值v
x
；
[0091]
由选定的品质因数q值和等效电阻r
eq
，根据q＝ω*ls/r
eq
得到串联电感ls；
[0092]
并通过以下过程确定直流馈电电感lf、并联电容c
p
、串联电容cs的大小：
[0093][0094][0095][0096][0097]
其中，l
x
为剩余电感。
[0098]
不同占空比d下计算的q和θ值如表1所示。
[0099]
表1不同占空比d下的q和θ值
[0100][0101][0102]
计算结果验证：
[0103]
选取d＝0.5时的q和θ的值计算得到电路参数：lf＝0.91uh，c
p
＝16.7nf，cs＝4.18nf，ls＝6.3uh，r
eq
＝5.5ω。通过以上参数设计恒压输出e类逆变电路，得到负载变化时输出电压v
ds
波形如图4所示，图4的绿、蓝、红、蓝绿依次表示等效电阻r
eq
为额定电阻、额定电阻的2倍、额定电阻的5倍以及无穷大，由图4可知，在负载电阻r
eq
变为额定电阻的2倍、5倍和输出开路时，输出电压幅值基本不变。负载变化时开关管的输出电压v
out
波形如图5所示，图5的蓝、红、蓝绿、紫依次表示等效电阻r
eq
为额定电阻、额定电阻的2倍、额定电阻的5倍以及无穷大，其中，等效电阻r
eq
为无穷大时波形与正弦波差距较大，但其基波幅值经带通滤波后与其它负载情况一致，等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
的波形和频谱图如图6～7所示，等效电阻r
eq
为额定电阻时开关管的输出电压v
out
滤波后波形和频谱图如图8～9所示，等效电阻r
eq
为无穷大时的输出电压v
out
波形和频谱图如图10～11所示，等效电阻req
为无穷大时的输出电压v
out
滤波后波形和频谱图如图12～13所示，当等效电阻r
eq
过大导致波形不是标准正弦波时，其输出电压基频分量足够通过三线圈系统进行无线输能向接收侧的r
l
供能，此时，无线输能的线圈和调谐电容充当了滤波器的作用。图4中，开关管导通时刻电压为0，在负载电阻变化的情况下开关管s能够一直保持zvs条件，实现软开关下的高效率运行。
[0104]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。