一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑及其参数设计方法

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑及其参数设计方法。

背景技术：

1、电池作为储能器件是无线电能传输系统中必不可少的一部分。电池的充电过程包括两个阶段即恒流充电阶段和恒压充电阶段，因此，无线充电系统具有恒流恒压输出模式是十分必要的。现有研究中实现恒流恒压输出的方式有三种：控制、拓扑切换以及拓扑特性。

2、控制实现恒流恒压输出存在的问题：对于一些系统，原副边需要实时通信，如果副边传回原边的信号有延迟或者错误，会导致系统无法正常工作甚至会出现器件损坏。此外，一些系统中需要加入额外的转换器件，这不仅会导致系统体积的增大还会带来一定损耗。最重要的是控制的可控范围有限。拓扑切换实现恒流恒压输出存在的问题：额外的交流开关和补偿电容会被加入系统，对于存在多个交流开关的系统，多个开关的同步切换是十分必要的，并且存在一定的困难，特别是，在大功率系统中，大的电压或电流应力可能会存在于交流开关。

3、对于利用拓扑特性实现恒流恒压的方法，现有研究多是对已有拓扑结构分析并进行相应的参数设置，使拓扑结构能在零相角的条件下实现恒流恒压输出。但是，已有的大部分拓扑结构只能通过参数设置在固定耦合系数下实现恒流恒压输出，当耦合系数发生变化，系统的输出特性将会被破坏。对于大多数无线电能传输系统，系统的互感均是在一定区间变化，所以，现有研究中的拓扑结构在实际应用中存在较大的困难。

4、现有研究中拓扑的输出特性随互感变化的原因是拓扑结构不具有固有的恒流恒压特性。固有输出特性是指系统在零相角条件下的恒流/恒压输出特性不随耦合系数的变化而变化。为了解决现有研究中存在的问题，此研究提出一种新的具有恒流恒压输出的双谐振拓扑结构，此拓扑结构具有固有的恒流恒压输出特性，即在变耦合系数情况下，系统可实现恒流恒压输出，并且系统在两种模式下始终能维持零相角输入。此外，两种模式的转换仅通过切换工作频率即可完成。

技术实现思路

1、本发明提供一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑及其参数设计方法，现有研究中拓扑的输出特性随互感变化的原因是拓扑结构不具有固有的恒流恒压特性，本发明提出的拓扑结构可以在变耦合系数下实现恒流恒压输出，且系统在两种模式下始终满足零相角输入；此外，两种模式的转换只需切换工作频率。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑，所述双谐振拓扑包括发射线圈lp2、接收线圈ls2、两线圈互感m、输入交流电压uin、原边补偿电感lp0、原边补偿电感lp1、原边补偿电容cp0、原边补偿电容cp11、原边补偿电容cp12、原边补偿电容cp2、副边补偿电容cs1、副边补偿电容cs2、副边补偿电感ls1、等效电阻re；

4、所述输入交流电压uin的一端与原边补偿电感lp1的一端相连接，所述原边补偿电感lp1的另一端分别与原边补偿电容cp11的一端和原边补偿电感lp0的一端相连接，所述原边补偿电感lp0的另一端与原边补偿电容cp0的一端相连接，所述原边补偿电容cp0的另一端分别与原边补偿电容cp12的一端和原边补偿电容cp2的一端相连接，所述原边补偿电容cp2的另一端与发射线圈lp2的一端相连接，所述输入交流电压uin的另一端分别与发射线圈lp2的另一端、原边补偿电容cp12的另一端和原边补偿电容cp11的另一端相连接；

5、所述发射线圈lp2与接收线圈ls2的互感为m，所述接收线圈ls2的一端与副边补偿电容cs2的一端相连接，所述副边补偿电容cs2的另一端分别与副边补偿电容cs1的一端和副边补偿电感ls1的一端相连接，所述副边补偿电容cs1的另一端分别与副边补偿电感ls1的另一端和等效电阻re的一端相连接，所述等效电阻re的另一端与接收线圈ls2另一端相连接。

6、进一步的，所述副边的补偿电容cs2、补偿电感ls1以及补偿电容cs1可被可调电容ceq替代以减少补偿器件数量。

7、一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，所述参数设计方法包括以下步骤：

8、步骤1：对所提拓扑结构在两种工作模式下进行拓扑分析；当系统工作恒压模式时，拓扑的模式转换包括恒压模式转恒流模式、恒流模式转恒压模式以及恒压模式转恒压模式；当系统工作在恒流模式时，拓扑的模式转换包括恒压模式转恒流模式、恒流模式转恒压模式以及恒压模式转恒流模式；根据两种工作模式下拓扑模块转换确定拓扑参数间关系；

9、步骤2：基于步骤1的拓扑参数，使拓扑结构在恒压输出模式下谐振，确定恒压输出模式下谐振的拓扑参数；

10、步骤3：基于步骤1的拓扑参数，使拓扑结构在恒流输出模式下谐振，确定恒流输出模式下谐振的拓扑参数；

11、步骤4：基于步骤2和步骤3的拓扑参数，实现恒流恒压输出的同时始终满足零相角输入。

12、进一步的，所述步骤1具体为，

13、恒流和恒压两种输出模式下，补偿参数需满足

14、

15、其中：ωcc和ωcv分别为恒流输出模式和恒压输出模式下系统的工作角频率。

16、进一步的，所述步骤2具体为，为了使拓扑结构在恒压输出模式下谐振，则原边拓扑参数需进一步满足，

17、

18、进一步的，所述步骤3具体为，

19、使拓扑在恒流输出模式下谐振，则原副边补偿参数需要满足

20、

21、进一步的，所述步骤4具体为，当参数关系均被满足时，提出的新的拓扑结构结构即可在变耦合系数下实现恒流恒压输出的同时始终满足零相角输入。

22、本发明的有益效果是：

23、本发明的拓扑结构具有固有的恒流恒压输出特性，即在变耦合系数情况下，系统可实现恒流恒压输出，并且系统在两种模式下始终能维持零相角输入。此外，两种模式的转换仅通过切换工作频率即可完成。

技术特征：

1.一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑，其特征在于，所述双谐振拓扑包括发射线圈lp2、接收线圈ls2、两线圈互感m、输入交流电压uin、原边补偿电感lp0、原边补偿电感lp1、原边补偿电容cp0、原边补偿电容cp11、原边补偿电容cp12、原边补偿电容cp2、副边补偿电容cs1、副边补偿电容cs2、副边补偿电感ls1、等效电阻re；

2.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑，其特征在于，所述副边的补偿电容cs2、补偿电感ls1以及补偿电容cs1可被可调电容ceq替代以减少补偿器件数量。

3.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，其特征在于，所述参数设计方法包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为，

5.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为，为了使拓扑结构在恒压输出模式下谐振，则原边拓扑参数需进一步满足，

6.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为，

7.根据权利要求1所述一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑的参数设计方法，其特征在于，所述步骤4具体为，当参数关系均被满足时，提出的新的拓扑结构结构即可在变耦合系数下实现恒流恒压输出的同时始终满足零相角输入。

技术总结
本发明公开了一种具有恒流恒压输出特性的双谐振拓扑及其参数设计方法。输入交流电压U<subgt;in</subgt;与原边补偿电感L<subgt;p1</subgt;相连接，原边补偿电感L<subgt;p1</subgt;分别与原边补偿电容C<subgt;p11</subgt;和原边补偿电感L<subgt;p0</subgt;相连接，原边补偿电感L<subgt;p0</subgt;与原边补偿电容C<subgt;p0</subgt;相连接，原边补偿电容C<subgt;p0</subgt;分别与原边补偿电容C<subgt;p12</subgt;和原边补偿电容C<subgt;p2</subgt;相连接，原边补偿电容C<subgt;p2</subgt;与发射线圈L<subgt;p2</subgt;相连接，输入交流电压U<subgt;in</subgt;分别与发射线圈L<subgt;p2</subgt;、原边补偿电容C<subgt;p12</subgt;和原边补偿电容C<subgt;p11</subgt;相连接；发射线圈L<subgt;p2</subgt;与接收线圈L<subgt;s2</subgt;之间的互感为M，接收线圈L<subgt;s2</subgt;与副边补偿电容C<subgt;s2</subgt;相连接，副边补偿电容C<subgt;s1</subgt;与副边补偿电感L<subgt;s1</subgt;并联后分别与副边补偿电容C<subgt;s2</subgt;和等效电阻R<subgt;e</subgt;相连接，等效电阻R<subgt;e</subgt;与接收线圈L<subgt;s2</subgt;相连接。本发明提出的拓扑结构在变耦合系数下实现恒流恒压输出，且两种模式下始终满足零相角输入。

技术研发人员：魏国,张一鸣,朱春波
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12