一种WPT系统的LCL-S/(S-T)型复合补偿电路

本发明属于充电设施，尤其涉及一种wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路。

背景技术：

1、无线电能传输(wpt)因其灵活方便、操作安全等优点，已成为众多学者的研究热点，尤其伴随着新能源电动汽车的兴起，使磁耦合谐振式无线电能传输技术(wcr-wpt)受到了人们的广泛关注。目前电动汽车无线充电技术主要采用恒流恒压(constant current-constant voltage,cc-cv)两段式相结合的充电方式。为了能够快速平稳的从恒流充电模式切换到恒压充电模式，往往采用加入dc-dc变换器、变频控制、移相控制等复杂的控制方法。但是这几种方法大多需要发射端与接收端之间的通信，大大增加了系统的控制难度和成本。此外，不同电动汽车的充电电流和充电电压也有所不同，需要wpt系统根据不同规格的充电负载输出与之匹配的恒定电流和恒定电压，即实现恒流恒压的可配置充电。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、现有无线电能传输(wpt)技术，尤其是磁耦合谐振式无线电能传输技术(wcr-wpt)在电动汽车无线充电领域，主要存在以下缺陷和问题：

4、1)通信依赖：现有技术中，发射端与接收端之间的通信依赖性较强，需要实时交换数据以实现准确的充电控制。这不仅增加了系统的控制难度，还可能导致通信故障影响充电效果。

5、2)控制复杂性：为了实现从恒流充电模式到恒压充电模式的平稳切换，现有技术往往采用dc-dc变换器、变频控制、移相控制等复杂控制方法。这些方法增加了系统的设计复杂性和控制难度。

6、3)成本较高：由于需要实现恒流恒压的可配置充电，以满足不同电动汽车的充电需求，现有技术中的wpt系统通常需要采用高性能的控制器、传感器等部件，导致成本较高。

7、4)兼容性问题：不同电动汽车的充电电流和充电电压有所不同，现有的wpt系统往往需要针对不同规格的充电负载进行调整，以实现恒流恒压的可配置充电。这可能导致兼容性问题，影响充电效果。

8、5)能量转换效率：由于现有技术中的复杂控制方法和通信依赖，可能会对能量转换效率产生影响。能量转换效率是衡量无线充电系统性能的关键指标，低效的能量转换会导致充电时间延长和能源浪费。

9、因此，有必要研究和发展新的无线电能传输技术，以解决现有技术中的通信依赖、控制复杂性、成本较高、兼容性问题和能量转换效率等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路。

2、本发明是这样实现的，一种wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路，wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路包括：基于lcl-s和t型谐振补偿电路，在接收侧增加两个交流开关，通过开关的切换对t型谐振补偿网络进行切入切出，从而实现恒流恒压输出的相互转换；同时通过调节t型谐振补偿网络参数，可以输出不同等级的充电电流；将多个复合补偿拓扑并联到一台逆变器上，通过调节每个复合补偿拓扑中的t型谐振补偿网络参数，实现同时输出不同电流等级的充电电流，实现单个逆变器对多个不同充电电流规格的电动汽车同时充电，且系统几乎没有无功功率输入。

3、进一步，lcl-s型谐振补偿电路的负载电压作为t型谐振补偿电路的激励源，级联复合组成恒流补偿拓扑电路，lcl-s型谐振补偿电路本身即可满足恒压输出要求，在实现恒流恒压切换时，将t型补偿网络切出，实现对充电负载的恒压输出。

4、进一步，恒流拓扑电路切换到恒压拓扑电路，需要断开电容cs1支路和短路电感ls1、电感ls2，本文采取的方法为串联开关s1断开电容cs1支路，并联开关s2以短路电感ls1、电感ls2，从而使系统由恒流模式切换到恒压模式。

5、进一步，电感lp1、电容cp、电感lp构成发射侧lcl谐振补偿网络，m为发射线圈与接收线圈之间的互感，电感ls、电容cs分别表示接收线圈的自感和接收侧补偿电容，ls1、ls2、cs1构成接收侧t型谐振补偿网络。

6、当开关s1处于闭合状态，开关s2处于断开状态，此时系统由lcl-s型和电感ls1、电感ls2、电容cs1构成的t型谐振补偿电路复合构成，系统进入恒流充电模式；

7、系统工作在恒流模式下流经等效电阻req的电流为：

8、

9、在系统角频率ω、互感m、发射侧补偿电感lp1、逆变器输出电压以及接收侧补偿电容cs1不变的情况下，拓扑电路输出电流恒定；当充电桩发射侧电路固定，即在逆变器输出电压角频率ω、互感m以及发射侧补偿电感lp1不变的条件下，可以通过调节接收侧补偿电容cs1来调节整流器输入电流的大小，进而调节充电负载电流il的大小，以满足不同电流等级的电动汽车对单个充电桩复用共享充电。

10、进一步，当负载电压上升到恒流恒压切换的阈值电压时，开关s1处于断开状态，开关s2处于闭合状态，此时t型谐振补偿网络被切出，系统进入恒压充电模式。此时由lcl-s型谐振补偿电路构成恒压充电系统。

11、用受控电压源表示发射线圈与接收线圈的互感电压，req为整流器相关电路内阻和充电负载rl的等效电阻，电路的kvl方程为：

12、

13、发射侧补偿电感lp1、发射线圈自感lp与补偿电容cp谐振，接收线圈自感ls与补偿电容cs谐振；系统在恒压模式下等效电阻req两端的电压为：

14、

15、在互感m、发射侧补偿电感lp1、逆变器输出电压不变的情况下，拓扑电路输出电压恒定，系统输出电压与充电负载的大小无关，对外输出相当于一个恒压源，可以满足充电负载对恒压特性的要求；

16、设系统的电压增益为gv，其为等效电阻req两端的电压与逆变器输出电压的模值之比，即：

17、

18、恒压系统的输入阻抗为：

19、

20、在恒压模式下系统的输入阻抗为纯阻性，系统在单位功率因数下运行，没有无功功率输入，可以实现电流电压的zpa特性，提高系统的充电效率。

21、进一步，当系统的参数固定时，系统输出电压和输出电流只与逆变器输出电压有关，也就是只与直流电源e有关。为了能够配置不同的充电电流以满足不同电流等级的电动汽车，基于本文提出的方法可以将多个lcl-s/(s-t)型复合补偿拓扑电路并联到一台逆变器上，通过调节接收端t1、t2到tn谐振补偿网络参数实现同时对不同充电电流规格的电动汽车充电的目的。

22、本发明的另一目的在于提供一种应用所述的wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路的wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路控制方法，wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路控制方法包括：

23、检测充电负载两端实时电压ul，判断ul<uref是否成立，其中uref为恒流恒压充电切换的阈值电压；若成立，则开关s1闭合，开关s2断开，系统进入恒流模式；若不成立，则开关s1断开，开关s2闭合，系统进入恒压模式。

24、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路控制方法的步骤。

25、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路控制方法的步骤。

26、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路。

27、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

28、第一，本发明将lcl-s、t型谐振补偿电路进行重组，衍生出lcl-s/(s-t)型恒流恒压复合补偿拓扑。并通过在接收侧控制开关切换对t型补偿网络进行投切，完成了这种新型恒流恒压复合补偿拓扑的理论分析，然后对lcl-s型与t型级联组成的复合补偿拓扑电路实现cc-cv输出的wpt系统进行实验验证。此外，为了能够输出不同等级的充电电流，以满足不同充电电流规格的电动汽车充电，提出将多个lcl-s/(s-t)型复合补偿wpt系统并联到一台逆变器上，搭建了一套可配置充电电流分别为1a/2a、充电电压为24v的实验原理样机。

29、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

30、当系统工作在恒流充电模式时，系统分别输出1a、2a的电流对充电负载进行恒流充电，1a系统在充电负载阻值分别为12.5ω、24.2ω时的充电电流为1.03a、1.005a，电流变化率为2.43％。2a系统在充电负载阻值为7.5ω、12.5ω时的充电电流为2.01a、2.001a，电流变化率为0.45％，系统充电电流基本维持1a和2a不变。当系统工作在恒压充电模式时，系统输出24v的电压对充电负载进行恒压充电，1a系统在充电负载阻值分别为24.6ω、62.5ω时的充电电压为24.5v、25.8v，电流变化率为3.87％，2a系统在充电负载阻值分别为11.9ω、62.5ω时的充电电流为23.9v、25.6v，电流变化率为6.64％，系统充电电压基本维持不变。整个充电过程中1a和2a系统最高充电效率分别为72％和78％，实验通过逐渐增加电阻性负载阻值的方法模拟电池在充电过程中阻值变化过程。实验结果证明逆变器输出电压与输出电流几乎保持同相位，系统几乎没有无功功率的引入。且在整个充电过程中系统的输出电流和输出电压基本保持不变，满足电动汽车充电时对恒流或恒压输出的要求，达到了预期的效果。

31、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

32、1)基于lcl-s和t型谐振补偿电路：采用了两种谐振补偿电路的组合，能够有效地抑制系统的谐波和电压波动，提高系统的电能传输效率和充电效果。

33、2)增加两个交流开关：通过交流开关的切换对t型谐振补偿网络进行切入切出，能够实现恒流恒压输出的相互转换，提高了系统的适应性和稳定性。

34、3)调节t型谐振补偿网络参数：可以实现输出不同等级的充电电流，满足不同电动汽车的充电需求。

35、4)多个复合补偿拓扑并联到一台逆变器上：通过并联多个复合补偿拓扑，能够实现单个逆变器对多个不同充电电流规格的电动汽车同时充电，提高了系统的充电效率和使用效果。

36、5)实现同时输出不同电流等级的充电电流：通过调节每个复合补偿拓扑中的t型谐振补偿网络参数，能够实现同时输出不同电流等级的充电电流，满足多种电动汽车的充电需求。

37、综上所述，该wpt系统的lcl-s/(s-t)型复合补偿电路具有高效、稳定、适应性强、充电效率高等优点，可以有效地提高电动汽车的充电效率和使用效果，具有广泛的应用前景。