一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法技术

技术编号:19750385 阅读:39 留言:0更新日期:2018-12-12 05:36
本发明专利技术提供的一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法,包括谐振单元、负载端和逆变电路,其中,负载端与谐振单元的二次侧并联连接,逆变电路与谐振单元的一次侧连接,其中,谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2,其中,第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路;第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端,一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接;第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路,第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端,负载阻抗RL的另一端与负载端连接;该电路在PT对称时,整个系统具有高速的频率动态调节能力,保证电路谐振状态,使输出电压稳定不变,同时保持了高效率的无线电能传输。

【技术实现步骤摘要】
一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法
本专利技术属于电力电子研究领域,具体涉及一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法。
技术介绍
相比于通过金属导线进行能量传输的方式,无线功率传输不但没有其传输介质容易老化损耗、传输过程中摩擦产生火花影响设备使用寿命和用电安全的弊端,反而具有便捷、耐用、特殊场合也可适用等优势。因此,在移动终端和电动汽车的充电、体内植入的医疗设备的供电等方面具有广大应用前景,其传输功率问题也在工程实际中越显重要。为了控制无线功率传输系统的传输功率恒定,国内外相关学者也提出一些解决办法。已公开的专利技术专利《用于控制无线功率传输系统中的干扰的方法和设备》专利技术了一种功率传输单元(PTU)的干扰控制方法,可以确定PTU是否处于发生邻近PTU的干扰环境中以及响应于确定的结果是PTU处于所述干扰环境中,最终控制邻近PTU和功率接收单元PRU中的任意一个或两个的通信参数。已公开的专利技术专利《用于无线功率传输系统的谐波消减设备》设计了一种耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备的装置,此谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减。以上专利中提及的控制方法是目前为数不多的针对无线功率传输系统的恒定传输功率问题的专利,但是这些方法都只能在增加额外的调节单元进行输出功率的控制,并不能保持输出功率的恒定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法,解决了现有的无线功率传输系统的恒定传输功率方法存在不能在传输距离变化的情况下适用的问题。为了达到上述目的,本专利技术采用的技术方案是:本专利技术提供的一种PT对称的无线电能传输电路,包括谐振单元、负载端和逆变电路,其中,负载端与谐振单元的二次侧并联连接,逆变电路与谐振单元的一次侧连接,其中,谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2,其中,第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路;第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端,一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接;第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路,第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端,负载阻抗RL的另一端与负载端连接。优选地,无线电能传输电路具有的PT对称条件,即其中,kmin为第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间的最小耦合系数。优选地,逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环。优选地,逆变电路为单相桥式电路。一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法,包括以下步骤:第一步,搭建权利要求1-4中任一项所述的无线电路拓扑结构,且根据该无线电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称条件;第二步,根据第一步得到的PT对称条件,计算该无线电路拓扑结构上的各个参数,参数包括第一电容C1、第二电容C2和一次侧串联电阻Rf的值;第三步,根据第二步得到的各个参数值,选择元件搭建无线电能传输电路;第四步,验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定。优选地,第一步中,PT对称条件的数学表达式为优选地,第二步中,通过计算第一电容C1和第二电容C2的值,其中,C1=C2。优选地,第二步中,前级串联电阻Rf通过下式计算得到:Rf≈0.436Requal其中,Requal为二次侧交流等效电阻,且与现有技术相比是,本专利技术的有益效果是:本专利技术提供的一种PT对称的无线电能传输电路,提出的新型无线电能传输电路结构中,谐振单元中的两个谐振电感之间具有耦合性,两个谐振电感之间的耦合性,保证了在一定距离内该电路具有PT对称性;该电路在PT对称时,整个系统具有高速的频率动态调节能力,保证电路谐振状态,使输出电压稳定不变,同时保持了高效率的无线电能传输。本专利技术提供的本专利技术提供的一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法,首先搭建具有耦合性谐振单元的无线电能传输电路,根据该电路和耦合模方程得到该电路的PT对称条件,根据PT对称条件计算各个参数,最终选择元件搭建无线电能传输电路;该电路的PT对称性使得在传输距离发生突变时,此系统可以自动调节频率,使系统工作在相应的分裂频率点,使得传输功率恒定;同时,整个系统具有高速的频率动态调节能力,保证电路谐振状态,使输出电压稳定不变,同时保持了高效率的无线电能传输。附图说明图1是本专利技术设定的无线电路拓扑结构图;图2是本专利技术搭建的无线电路拓扑结构图;图3是本专利技术搭建的无线电路的基本波形图;图4是本专利技术的负载电压与耦合系数的关系图;图5是本专利技术在线圈距离变化时的瞬态波形图;图6是本专利技术的线圈谐振分裂频率曲线图。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的一种PT对称的无线电能传输电路,该无线电能传输电路是在有较强耦合的情况下满足的PT对称,电路在PT对称时稳定工作频率点是分裂频率点,从而达到恒定传输功率的目的。一种PT对称的无线电能传输电路的设计方法,包括以下步骤:第一步,设定如图1所示的无线电路拓补结构,且根据该电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称的条件,具体地:如图1所示,该无线电能传输电路包括谐振单元、负载端和逆变电路,其中,负载端与谐振单元的二次侧并联连接,逆变电路与谐振单元的一次侧连接。其中,谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2,其中,第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路;第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端,一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接;第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路,第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端,负载阻抗RL的另一端与负载端连接。逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环,其中,锁相环的输入两端子与一次侧第一电容C1两端相连接,用于同步第一电容C1两端的谐振电压;锁相环输出的同步信号一端连接逆变电路中的单相桥式驱动电路模块,其输出的极性相反的两对信号,使单相桥式驱动电路的四个开关成对开通或关断,进而使得整个电路变成了自谐振电路,无需单片机或其他控制芯片。同时,第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间耦合,且两者之间的最小耦合系数为kmin。第二步,根据PT对称条件,结合第一步所建立的无线电能传输电路计算该无线电能传输电路上的各个参数,参数包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1、第二电容C2和一次侧串联电阻Rf的值;第三步,根据上述所得的参数,根据计算出的各无源元件电阻、电容和电感值选择元件搭建电路,同时忽略锁相环与控制电路的延迟,进行仿真;第四步,验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定。具体地:第一步中,根据该电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称的条件的具体方法是:首先,根据电路拓扑结构,得到已知的参数电压Uin、输出电压Uout、输出功率Pout和线圈谐振频率f,根据已知的上述参数建立耦合模方程:其中a1、a2代表的是耦合模相量,其定义为,化简已经建立的耦合模方程,其中根据上述方程可以推得,[j(ω1-ωs)+g]·[j(ω2-ωs)-γL]+κ21κ12=0再分离上述方程的实虚部,可以知道在ω1=ω2=ω0时,电路工作频率ωs在强耦合区(κ≥γL)和弱耦合区(κ<γL)均有解,具体地:在强耦合区,可能的工作频率为无论在哪个分裂频率处工作,都有频率的选择如图6所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PT对称的无线电能传输电路,其特征在于,包括谐振单元、负载端和逆变电路,其中,负载端与谐振单元的二次侧并联连接,逆变电路与谐振单元的一次侧连接,其中,谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2,其中,第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路;第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端,一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接;第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路,第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端,负载阻抗RL的另一端与负载端连接。

【技术特征摘要】
1.一种PT对称的无线电能传输电路,其特征在于,包括谐振单元、负载端和逆变电路,其中,负载端与谐振单元的二次侧并联连接,逆变电路与谐振单元的一次侧连接,其中,谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2,其中,第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路;第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端,一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接;第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路,第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端,负载阻抗RL的另一端与负载端连接。2.根据权利要求1所述的一种PT对称的无线电能传输电路,其特征在于,无线电能传输电路具有的PT对称条件,即其中,kmin为第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间的最小耦合系数。3.根据权利要求1所述的一种PT对称的无线电能传输电路,其特征在于,逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环。4.根据权利要求1所述的一种PT对称的无线电能传输电路,其特征在于,逆变电路为单相桥式电...

【专利技术属性】
技术研发人员:侯越涛林敏慎陈文洁杨旭
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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