LCC-S补偿网络及无线电能传输系统、补偿方法

本发明涉及无线充电，具体涉及一种lcc-s补偿网络及无线电能传输系统、补偿方法。

背景技术：

1、无线充电技术在植入式医疗设备、手机和便携式可穿戴设备、电动汽车等领域都有广泛的应用前景，无线电能传输系统(wpts，wireless power transmission systems)可以消除布线及接触件安装问题，且没有裸露的导体存在，能量传输能力不受水、污染物等因素的影响，提高设备的可靠性和安全性；系统的各部分之间相互独立，避免了不必要的电气和机械损坏，节省布了线和维护成本，提高能源利用率。

2、一般的，无线电能传输系统是一个松耦合系统，由于无线电能传输系统储能元器件多，闭环控制复杂，因此目前大多数的wpts都是开环运行状态，通过合理的补偿网络实现所需要的功能。为了有效延长储能电池的寿命，保证电池充电和使用安全，目前应用到充电系统中主要是恒流（cc，constant current）与恒压（cv，constant voltage）输出，同时还要尽可能实现零相角(zpa，zero phase angle)和谐振条件与互感无关，谐振条件与互感无关这一特性十分适合应用于动态无线充电中。

3、现有技术一般采用单一电容补偿拓扑和ss 型补偿方式。尽管 ss 型补偿方式相比于其他补偿方式有很大优点，但也存在增大互感时输出功率会急剧下降的缺点。而且无论是单一电容补偿拓扑还是ss 型补偿方式均很难实现谐振条件与互感m无关的cv输出。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种lcc-s补偿网络及无线电能传输系统、补偿方法，可以从数学计算和电路特征的角度出发，构建lcc-s补偿网络及其补偿方案，来实现谐振条件与互感m无关的cv输出。

2、为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种lcc-s补偿网络，包括：

3、输入端口、输出端口以及补偿电路；所述输入端口包括正极输入端和负极输入端，所述输出端口包括正极输出端和负极输出端；

4、所述补偿电路包括调频电感、调频电容、原边电容、原边等效电感、互感、副边等效电感以及副边电容；所述调频电感的一端与所述正极输入端连接、所述调频电感的另一端与所述调频电容的一端以及所述原边电容的一端连接；所述调频电容的另一端与所述负极输入端连接；所述原边电容的另一端与所述原边等效电感的一端连接；所述原边等效电感的另一端与所述互感的一端以及所述副边等效电感的一端连接；所述互感的另一端与所述负极输出端连接；所述副边等效电感的另一端与所述副边电容的一端连接，所述副边电容的另一端与所述正极输出端连接；

5、其中，当所述输入端口接入恒压源或恒流源时，通过调整所述调频电感、调频电容、原边电容以及副边电容的值来实现与互感无关的条件下所述输出端口所接入的负载的恒压和零相角输出。

6、在可能的一些实施方式中，lcc-s补偿网络还包括：原边线圈电阻和副边线圈电阻；所述原边线圈电阻的一端与所述原边电容连接，所述原边线圈电阻的另一端与所述原边等效电感连接；所述副边线圈电阻的一端与所述副边电容连接，所述原边线圈电阻的另一端与所述副边等效电感连接。

7、在可能的一些实施方式中，在所述补偿电路中，将所述调频电感与调频电容的电路位置进行调换。

8、在可能的一些实施方式中，在所述补偿电路中，将所述调频电感与调频电容的电路位置调整至所述副边电容与所述输出端口之间。

9、在可能的一些实施方式中，在所述补偿电路中，将位于所述副边电容与所述输出端口之间的所述调频电感与调频电容的电路位置进行调换。

10、为了实现上述目的，另一方面，本发明还提供了一种无线电能传输系统，其包括如上述的lcc-s补偿网络，还包括恒流源或恒压源，以及负载；所述恒流源或恒压源与所述输入端口连接，所述负载与所述输出端口连接；

11、其中，通过调整所述调频电感、调频电容、原边电容以及副边电容的值来实现与互感无关的条件下所述负载的恒压和零相角输出。

12、为了实现上述目的，另一方面，本发明还提供了一种恒压和零相角输出补偿方法，基于上述的lcc-s补偿网络，或，如上述的无线电能传输系统；所述补偿方法包括：

13、基于互易二端口网络构建基础传输矩阵等效模型，并在恒压输入或恒流输入且保持在与互感无关的条件下恒压和零相角输出时确定所述基础传输矩阵等效模型中矩阵系数的置零情况；

14、基于所述基础传输矩阵等效模型对所述lcc-s补偿网络进行模型创建得到lcc-s补偿网络传输矩阵等效模型，根据所述基础传输矩阵等效模型中矩阵系数的置零情况对所述lcc-s补偿网络传输矩阵等效模型的矩阵系数进行对应置零处理后，得到调频电感、调频电容、原边电容、副边电容以及调谐频率之间的关系；

15、根据所述调频电感、调频电容、原边电容、副边电容以及调谐频率之间的关系确定谐振条件；

16、将所述谐振条件下对应的矩阵系数代入到lcc-s补偿网络传输矩阵等效模型得到目标lcc-s补偿网络，并基于所述目标lcc-s补偿网络进行恒压和零相角输出补偿。

17、在可能的一些实施方式中，在恒压输入或恒流输入且保持在与互感无关的条件下恒压和零相角输出时确定所述基础传输矩阵等效模型中矩阵系数的置零情况，包括：

18、当恒压输入时，若需要保持与互感无关，则将与互感值相关的矩阵系数置零，若需要保持恒压输出，则将电压源表达式中与输出电流相关的矩阵系数置零，若需要保持零相角输出，将电流源表达式中与输出电压相关的矩阵系数置零；

19、当恒流输入时，若需要保持与互感无关，则将与互感值相关的矩阵系数置零，若需要保持恒压输出，则将电流源表达式中与输出电流相关的矩阵系数置零，若需要保持零相角输出，将电压源表达式中与输出电压相关的矩阵系数置零。

20、在可能的一些实施方式中，根据所述基础传输矩阵等效模型中矩阵系数的置零情况对所述lcc-s补偿网络传输矩阵等效模型的矩阵系数进行对应置零处理后，得到调频电感、调频电容、原边电容、副边电容以及调谐频率之间的关系，包括：

21、当恒压输入时，将所述与互感值相关的矩阵系数置零后，得到所述调频电感、调频电容与调谐频率之间的关系，将电压源表达式中与输出电流相关的矩阵系数置零后，得到调频电感、调频电容、原边电容、副边电容以及调谐频率之间的关系，将电流源表达式中与输出电压相关的矩阵系数置零后，得到调频电感、调频电容、原边电容以及调谐频率之间的关系。

22、在可能的一些实施方式中，方法还包括：

23、在恒压输入或恒流输入且保持在与互感无关的条件下恒压和零相角输出时确定输入输出增益和输入阻抗；

24、在恒压输入或恒流输入且保持在与互感无关的条件下恒压和零相角输出时确定输入视在功率和输入输出效率。

25、本发明的有益效果是：

26、本发明从数学计算和电路特征出发，以矩阵模型的方式构建lcc-s补偿网络，通过假设法来分析无线电能传输系统中耦合谐振稳定输出的相关补偿条件，并通过合理设置补偿网络和补偿方法来谐振条件与互感无关的恒压输出。

27、进一步的，本发明还提供计算补偿网络cc输出、cv输出、zpa条件、电压增益gvv、电流增益gvi的通用方法，为后续的补偿网络构建提供了坚实的理论基础。