具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法，在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络由电感L1、电感L2以及电容C1构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络由电容C2、电感L3以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L3的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。其效果是：无需任何额外的检测和控制电路即可实现在负载投入(移入)后高效地为负载提供需要的功率，在负载切除(移除)后工作在低功耗待机状态，降低了系统成本和控制器的设计难度。

【技术实现步骤摘要】
具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输技术，具体涉及一种具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输，彻底摆脱了导体连接的束缚，从而具有便捷、灵活、安全、可靠等优点。作为一种电能柔性接入与传输方式，其广阔的市场前景和科学研究价值正日益引起全球专家学者的高度重视，现已成为现代电气工程及自动化领域研究的热点。其中，基于电场耦合的电能传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，形状易变；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。因此，越来越多的专家学者围绕电场耦合无线电能传输技术展开研究。该技术可以为厨房电器和消费电子等中小功率设备供电；在大功率设备充/供电研究方面，例如电动汽车充/供电领域，也有相关报道。在某些ECPT技术的应用场景中，例如电动汽车、厨房电器以及消费电子等可移动负载设备的充/供电，系统的电能拾取端(包括：负载，拾取端耦合极板以及功率调节电路等)经常会从供电系统中移入-移除。拾取端的移入-移除可视为一个机械过程，其时间尺度远大于ECPT系统的运行周期。此外，在实际应用中，许多用电设备都安装有电源开关，开关的通断等效为用电设备(负载)的投入-切除。某些家用电器，例如电热水壶，当水沸腾后会自动切断电源。以上几种工况可视为负载在极短的时间内投入到系统或从系统中切除。为了便于区分，本文将拾取端的移入-移除称为负载的移动，将用电设备的投入-切除称为负载的投切。当负载突然切除时，传统的串联补偿将会在补偿电感上产生很大的电压尖峰，存在安全隐患。因此，有学者在文献：L.Huang,A.P.Hu,A.Swain,andY.G.Su,"Z-Impedancecompensationforwirelesspowertransferbasedonelectricfield,"IEEETrans.PowerElectronics,vol.31,pp.7556-7563,November2016.提出了一种基于Z阻抗补偿的ECPT系统有效地解决了该问题。然而，在MATLAB仿真平台用其电路模型和参数进行仿真，仿真发现逆变器输出电流在负载切除后激增，存在烧毁逆变器开关管的风险。在这种情况下，必须保护ECPT系统的电能发射端。此外，虽然一些ECPT系统未采用串联补偿方式，但是在负载切除或移除后系统的待机功率仍然很大，不利于节能减排，并且系统拓扑也相对比较复杂，需要较多的无功元件。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术首先提出了一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，无论负载是移动还是投切，该系统都能防止逆变器开关管出现过电压和过电流冲击。在负载移除或切除后，系统的输入功率较小，自动进入低功耗待机状态，减少系统的损耗；在负载移入或投入后系统能够重新高效地为负载提供需要的功率，并能在负载移除前后始终稳定可靠地工作。以上所有功能都是通过系统拓扑及其相关的参数设计方法实现的，不依赖任何额外的检测和控制方法，降低了系统成本和控制器的设计难度。为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，其关键在于：在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络是由电感L1、电感L2以及电容C1构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络是由电容C2、电感L3以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，所述第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L3的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。可选地，电感L1与电感L3的比值k<1。可选地，所述逆变器是由开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4组成的全桥逆变电路。可选地，所述第一T型谐振网络和所述第二T型谐振网络的工作角频率与谐振角频率均相同。可选地，电容C2的容值大小与耦合机构等效电容的容值大小相同。可选地，在电能接收端，耦合机构中的两块能量接收极板连接在整流电路的输入端，整流电路的输出端连接滤波电容Cf后为负载供电。为了满足相应的功能需求，上述系统的参数设计方法如下：S1：根据应用场景需求设定参数VIN、RL、f、k、Cs，其中VIN为供电电压的有效值，RL为负载电阻值，f为系统工作频率，k为电感L1与电感L3的比值，且k<1，Cs为耦合机构的等效电容值；S2：根据公式λ1＝C2/CS＝1，L1＝L2＝kL3计算电感L1、电感L2、电感L3、电容C1以及电容C2的参数大小；S3：计算输入电流iL1的THDi值；S4：判断THDi是否小于阈值，如果小于，则得到满足设计要求的系统参数，否则调整参数f，返回步骤S2重新设计。作为优选，THDi的阈值<5％。与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：无需任何额外的检测和控制电路即可实现在负载投入后高效地为负载提供需要的功率，在负载切除(移除)后工作在低功耗待机状态，降低了系统成本和控制器的设计难度；与专利201611088906.9公开的方案相比，在相同的输入电压VIN，相同的运行频率f，相同的耦合机构CS，以及相同的负载电阻RL下，传输功率可提高1/k2倍左右，并且电感L1的值减小了100k％，代价是增加了一个谐振电容。附图说明图1为本专利技术提出的具有双T型谐振网络的ECPT系统电路拓扑图；图2为图1的等效电路图；图3为图2中T型CLC谐振网络的等效电路图；图4为图2中T型LCL谐振网络的等效电路图；图5为系统带载时的等效电路图；图6为带负载简化后的等效电路图；图7为负载移除后系统的等效电路；图8为L3与C2谐振时系统的等效电路；图9为系统负载移除后简化的等效电路；图10为ECPT系统输入阻抗随CS的变化曲线；图11为k<1时，ECPT系统的等效电路；图12为系统主要参数设计流程图；图13为逆变输出电压和输出电流的仿真波形；图14为负载切除-切入时逆变器输出电流瞬态响应仿真波形；图15为逆变输出电压和输出电流的实验波形；图16为负载移除-移入时逆变器输出电压电流瞬态响应实验波形；图17为负载切除-切入时逆变器输出电压电流瞬态响应实验波形。具体实施方式为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。如图1所示，本实施例提供一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络是由电感L1、电感L2以及电容C1构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络是由电容C2、电感L3以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，所述第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L3的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。通过图1可以看出，谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，其特征在于：在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络是由电感L1、电感L2以及电容C1构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络是由电容C2、电感L3以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，所述第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L3的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。

【技术特征摘要】
1.一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，其特征在于：在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络是由电感L1、电感L2以及电容C1构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络是由电容C2、电感L3以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，所述第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L3的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。2.根据权利要求1所述的具有双T型谐振网络的ECPT系统，其特征在于：电感L1与电感L3的比值k<1。3.根据权利要求1或2所述的具有双T型谐振网络的ECPT系统，其特征在于：所述逆变器是由开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4组成的全桥逆变电路。4.根据权利要求1或2所述的具有双T型谐振网络的ECPT系统，其特征在于：所述第一T型谐振网络和所述第二T型谐振网络的工作角频率与谐振角频率均相同。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，赵鱼名，朱婉婷，唐春森，王智慧，戴欣，孙跃，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50