一种LCCL谐振结构的参数设置方法技术

本发明专利技术公开了一种LCCL谐振结构的参数设置方法，该谐振结构包括：谐振电感，电磁感应式无线电能传输（Inductive Contact ‑less Power Transfer，ICPT）系统电能发射端线圈，并联谐振电容，串联谐振电容，ICPT系统电能发射端线圈与串联谐振电容串联之后，再与并联谐振电容并联，之后与谐振电感串联，并且采用LCCL谐振结构输入端基波电流补偿LCCL谐振结构输入端高次谐波电流的方法，给出该结构的参数设计关系，并给出了不同的约束条件，建立起非线性规划问题，从而实现对参数的设置，达到与LCCL谐振结构相连接的ICPT系统全桥逆变器工作在零电流关断状态的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种LCCL谐振结构的参数设置方法
本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种电磁感应式非接触电能传输系统电能发射端谐振结构。
技术介绍
电磁感应式无线电能传输(InductiveContactlessPowerTransfer，ICPT)系统利用电磁感应原理，采用电磁谐振的方式，实现电能的非接触传输。该技术相比采用激光、微波载波方式，具有不受中间非磁性障碍物影响、对生物体影响小的优点，是10m以下近距离非接触传输大功率电能的最佳方式之一。ICPT技术为解决磁悬浮列车移动供电、内植式医疗设备密闭空间供电、水下无电缆监测电能传输、电动汽车无线充电等问题提供了一条新的可行解决方案。ICPT系统发射端线圈与接收端线圈之间存在较大的气隙，磁场在气隙中磁阻较大，发射端线圈难以形成较为集中的磁路与接收端线圈相耦合。由此产生了发射端线圈与接收端线圈互感系数低、线圈漏感大的问题。随着发射端线圈与接收端间隔距离增大，线圈间互感系数急剧下降，同时漏感急剧增大，直接影响了ICPT系统电能传输的功率和效率。所以目前实用的基于电磁感应原理的无线电能传输技术均具有针对线圈漏感的谐振网络结构，也即均为磁耦合谐振式结构。目前现有技术以一阶基本型结构、二阶LC结构为主，少数采用三阶谐振网络结构。在三阶谐振网络方面，大部分借鉴软开关谐振变换器的思路，以LCL谐振结构为主。LCL谐振络结构通过谐振的方式，大幅增加ICPT系统输出功率能力，同时利用该结构在谐振时的选频特性，使得输入线圈的电流波形呈现准正弦波波形，间接减少了电磁干扰。此外，LCL谐振结构还可以解决线圈并联电容与高频逆变器间的环流问题。因此，到目前为止LCL谐振网络与其他谐振网络相比，具有较为优良的性能，是该领域目前主流技术方向。目前，采用LCL三阶结构作为谐振补偿结构的设计中，都是对称结构，即二端口网络输入、输出完全对称，输入二端口与输出二端口可以互换。这是为了保证输入、输出阻抗无电抗分量、均呈现纯电阻特性而有意为之，意图达到逆变器零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)的目的。但是该对称性结论是在只分析单一频率的正弦波情况下得到的，忽略了其他频率谐波。然而，作为ICPT系统的谐振补偿网络，实际输入波形并非单一频率正弦波，而是方波。电压型逆变器对应于电压方波，电流型逆变器对应于电流方波。所以，对称型LCL三阶结构并不能达到输入输出阻抗为纯电阻的效果。ICPT系统逆变器在开关时刻，通过功率管的瞬时电流值并不为零，导致逆变器处于硬关断工作状态，产生较大的开关损耗。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种LCCL谐振结构的参数设置方法，该方法可以实现ICPT系统逆变器的零电流关断。本专利技术一种LCCL谐振结构的参数设置方法，该参数设置方法包括：步骤1：确定LCCL谐振结构采用的共振频率f0＝Qf0，按照公式(1)和公式(2)得到LCCL谐振结构共振角频率ω0：f0＝Qf0(1)ω0＝2πf0(2)步骤2：在发射端耦合线圈共振频率f0下，测定ICPT电能发射端线圈电感L‘2的电感值L2为QL2，ICPT电能发射端线圈交流电阻R‘l的电阻值Rl为QRl，这时Rl＝QRl，测定ICPT系统电能接收端反射阻抗Z’f的反射阻抗值Zf(在发射端耦合线圈共振频率f0下测定)，将Zf电阻部分记为QZf，Zf＝QZf；步骤3：利用基波电流补偿高次谐波电流的方法确定LCCL谐振结构元器件参数间关系：L2＝QL2(3D)Rl＝QRl(3E)Zf＝QZf(3F)步骤4：根据步骤3的LCCL谐振结构元器件参数间关系，得到LCCL结构元器件电压满足关系：UL1＝Iout(Rl+Zf)(4C)UL2＝ω0IoutL2(4D)步骤5：根据步骤3的LCCL谐振结构元器件参数间关系，得到LCCL结构元器件电流满足关系：IC2＝Iout(5B)IL2＝Iout(5D)步骤6：确定LCCL谐振结构额定输出功率Pout,nom，从而得到LCCL谐振结构输出功率Pout满足关系：Pout＝Iout2(Zf)≥Pout,nom(6)步骤7：确定电容C‘1耐压值UC1的最大值UC1max，电容C’2耐压值UC2的最大值UC2max，电感L’1耐压值UL1的最大值UL1max，电感L‘2耐压值UL2的最大值UL2max，得到元器件的耐压满足条件：0＜UC1≤UC1max(7A)0＜UC2≤UC2max(7B)0＜UL1≤UL1max(7C)0＜UL2≤UL2max(7D)步骤8：确定电容C‘1允许流过电流值IC1的最大值IC1max，电容C‘2允许流过电流值IC2的最大值IC2max，电感L’1允许流过电流值IL1的最大值IL1max，电感L‘2允许流过电流值IL2的最大值IL2max，从而得到元器件允许通过电流值满足条件：0＜IC1≤IC1max(8A)0＜IC2≤IC2max(8B)0＜IL1≤IL1max(8C)0＜IL2≤IL2max(8D)步骤9：确定电容C‘1在实际情况下获得电容值C1的最小参数值C1min，确定电容C‘1在实际情况下获得电容值C1的最大参数值C1max；确定电容C’2在实际情况下获得电容值C2的最小参数值C2min，确定电容C’2在实际情况下获得电容值C2的最大参数值C2max；确定电感L’1在实际情况下获得电感值L1的最小参数值L1min，确定电感L’1在实际情况下获得电感值L1的最大参数值从而得到LCCL谐振结构的元器件参数实际取值满足条件：C1min≤C1≤C1max(9A)C2min≤C2≤C2max(9B)步骤10：确定UC1权重系数k1，UC2权重系数k2，UL1权重系数k3，UL2权重系数k4，IC1权重系数k5，IC2权重系数k6，IL1权重系数k7，IL2权重系数k8，从而得到为达到LCCL谐振结构最佳参数值的目标函数表达式：Z＝k1UC12+k2UC22+k3UL12+k4UL22+k5IC12+k6IC22+k7IL12+k8IL22(10)步骤11：建立非线性规划问题，其中以Vin、Iout为决策变量，目标函数最小为优化目标，步骤1、步骤3到步骤10所得到的等式关系及不等式关系为约束条件；步骤12：求解步骤12中的非线性规划问题，得到满足LCCL谐振结构的参数L1、C1、C2以及Vin的值；步骤13：计算ICPT系统逆变器侧对应LCCL谐振结构参数的等效直流电压值Vdc：进一步地，在实际连接导线带宽低于100倍基波频率时，步骤3中的LCCL谐振结构元器件参数间关系：本专利技术中的LCCL结构包括谐振电感，ICPT系统电能发射端线圈，并联谐振电容，串联谐振电容，ICPT系统电能发射端线圈与串联谐振电容串联之后，再与并联谐振电容并联之后，再与谐振电感串联，该结构对应的等效电路为：电感L‘2、电容C’2、ICPT系统电能发射端线圈交流电阻R‘l、ICPT系统电能接收端反射阻抗Z’f形成串联支路后，再与电容C‘1形成并联支路，最后与电感L’1形成串联支路，相应地，Rl为R‘l的电阻值，Zf为Z’f的反射阻抗值，C1表示电容C‘1的电容容值，C2表示电容C’2的电容容值，L1表示电感L’1的电感值，L2表示电感L‘2的电感值。特别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LCCL谐振结构参数设置方法，其特征在于该参数设置方法包括：步骤1：确定LCCL谐振结构采用的共振频率f

【技术特征摘要】
1.一种LCCL谐振结构参数设置方法，其特征在于该参数设置方法包括：步骤1：确定LCCL谐振结构采用的共振频率f0＝Qf0，按照公式(1)和公式(2)得到LCCL谐振结构共振角频率ω0：f0＝Qf0(1)ω0＝2πf0(2)步骤2：在发射端耦合线圈共振频率f0下，测定ICPT电能发射端线圈电感L‘2的电感值L2为QL2，ICPT电能发射端线圈交流电阻R‘l的电阻值Rl为QRl，测定ICPT系统电能接收端反射阻抗Z’f的反射阻抗值Zf，将Zf电阻部分记为QZf；步骤3：利用基波电流补偿高次谐波电流的方法确定LCCL谐振结构元器件参数间关系：L2＝QL2(3D)Rl＝QRl(3E)Zf＝QZf(3F)步骤4：根据步骤3的LCCL谐振结构元器件参数间关系，得到LCCL结构元器件电压满足关系：UL1＝Iout(Rl+Zf)(4C)UL2＝ω0IoutL2(4D)步骤5：根据步骤3的LCCL谐振结构元器件参数间关系，得到LCCL结构元器件电流满足关系：IC2＝Iout(5B)IL2＝Iout(5D)步骤6：确定LCCL谐振结构额定输出功率Pout,nom，从而得到LCCL谐振结构输出功率Pout满足关系：Pout＝Iout2(Zf)≥Pout,nom(6)步骤7：确定电容C‘1耐压值UC1的最大值UC1max，电容C’2耐压值UC2的最大值UC2max，电感L’1耐压值UL1的最大值UL1max，电感L‘2耐压值UL2的最大值UL2max，得到元器件的耐压满足条件：0＜UC1≤UC1max(7A)0＜UC2≤UC2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小娜，高键鑫，吴旭升，高嵬，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42