一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统及其设计方法，系统由原边直流电源、原边扼流电感、原边高频开关网络、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容、副边高频开关网络、副边扼流电感及副边直流电源依次连接组成。其特征在于：提出一种新型电路拓扑，通过对原边补偿机构、松耦合变压器和副边补偿机构进行参数设计使系统呈镜像对称结构，在实现无线电能传输系统恒流输出的同时，还可以使能量双向传输。其有益效果为：本发明专利技术在设计系统时不需要复杂的闭环控制，基于交流阻抗法通过参数设计就可以满足系统设计指标，简化了系统的结构，又提高了系统的稳定性。

Constant current output type composite resonant network two-way radio energy transmission system and design method thereof

The invention discloses a constant current output type composite resonant network bidirectional wireless power transmission system and its design method, the system is made up of original DC power supply, primary choke inductance, primary frequency switching network, the primary side parallel compensation capacitor, primary side series compensation capacitor, loose coupling transformer, compensation capacitor, secondary side series the secondary parallel compensation capacitor and a secondary side of the high-frequency switch network side and choke inductor and DC power supply is connected with a side edge. It is characterized in that: This paper presents a new circuit topology, based on the original compensation mechanism, loosely coupled transformer and secondary compensation mechanism for parameter design of the system structure is mirror symmetry, in the realization of wireless power transmission system with constant current output at the same time, also can make bidirectional energy transmission. The effect is: in the design of the system of the invention does not need a complex closed-loop control, AC impedance method based on the parameter design can meet the system design requirements, simplify the structure of the system, and improve the stability of the system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种恒流输出型双向无线电能传输系统，属于无线电能传输领域，具体涉及一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统及其设计方法。
技术介绍
无线电能传输技术作为当前电气工程领域最活跃的研究热点之一，近年来受到广泛关注。其中，基于电磁感应耦合原理的无线电能传输技术是目前研究最成熟，应用最广泛的一种，在交通运输、水下供电、手机及人体医疗等均得到较好的应用。但目前研究的无线电能传输系统多要求实现输出电压恒定的功能，对系统输出电流恒定的无线电能传输系统研究还比较少。而恒流源在商业、工业、医疗等方面已得到日益广泛的应用，例如蓄电池充电、发光二极管的驱动、电容器充电及电弧焊等。此外，在传统的无线电能传输系统中，由于电能单向传输特性，系统存在电能回馈困难、系统开环运行效率低及电能传输的灵活性降低等问题。本专利技术提出一种恒流输出型双向无线电能传输系统，能很好地解决上述问题。在对恒流输出型双向无线电能传输系统进行设计时，为减小环流损耗和伏安容量，提高能量传输的效率，选择令无线电能传输系统工作于输入阻抗为纯阻性的频率点附近是常见的控制思想；为提高系统的带载能力，在负载切换或波动时，要求系统在一定工作条件下实现输出电流与负载无关的特性；至于多负载恒流输出型无线电能传输系统，则要求在某一个负载变化时，其它负载和原边的运行不受影响，就需要系统原边电流及谐振工作频率近似不变。综上所述，恒流输出型无线电能传输系统设计有以下目标。1)原边线圈电流及负载输出电流在负载变化时近似恒定。2)保持负载变化时保持系统稳定工作在谐振频率点附近。为了实现上述目标，目前的研究主要集中在针对不同的控制目标分别引入闭环负反馈控制，缺乏通过系统参数设计来满足负载恒流特性的研究。如为了保证系统原边线圈电流恒定，文献《感应电能传输系统能量注入控制方法研究》提出能量注入控制方法，通过控制注入谐振网络的能量来实现原边谐振电流的幅值控制。为了保证系统稳定工作在谐振频率下，文献《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》提出了基于相控电感的谐振参数在线调谐策略，通过逐周期实时调整相控电感导通角，改变并联在谐振网络上的等效电感值，从而维持系统软开关工作频率恒定。为了保证负载输出电流恒定，文献《非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用》提出了在原边整流侧串联DC/DC变换器对逆变器输入电压进行调节来控制负载输出电流恒定。对于稳流输出型无线电能传输系统，以上方法若单独实现系统的原边线圈电流恒流、输出电流恒流以及系统谐振工作频率恒频其中一种均能达到较好的效果。但是要同时满足上述3个要求，分别引入闭环控制，会导致系统设计难度增大，结构异常复杂，且稳定性及安全性降低。
技术实现思路
针对目前稳流输出型双向无线电能传输系统设计存在的问题，为保证原边谐振电流恒定、系统输出电流恒定，系统谐振工作频率稳定以及电能的双向传输，本专利技术提出一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统，基于交流阻抗法通过系统参数的设计来满足上述各要求，既减小了设计难度，简化了系统的结构，又提高了系统的稳定性。本专利技术的目的是这样实现的:一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统包括原边直流电源、原边扼流电感、原边高频开关网络、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容、副边高频开关网络、副边扼流电感及副边直流电源。其中，原边直流电源串联原边扼流电感后接原边高频开关网络的输入端。所述的原边并联补偿电容并联在原边高频逆变网络的输出端，原边串联补偿电容与松耦合变压器的原边绕组串联后并联在原边并联补偿电容两端；松耦合变压器的副边绕组与副边串联补偿电容串联后并联在副边并联补偿电容两端，副边并联补偿电容并联接在副边高频开关网络的输入端。所述的副边扼流电感与副边直流电源串联后并联在副边高频开关网络的输出端。系统工作在正向传输模式时，原边高频开关网络工作在逆变模式，副边高频开关网络工作在整流模式，副边扼流电感及副边直流电源可等效为可变负载。原边直流电源串联原边扼流电感相当于直流电流源，经原边高频开关网络逆变为高频方波交流电流源，再依次经过原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容产生一个相同频率的高频正弦交流电流源，经副边高频开关网络整流后给等效可变负载供电。系统工作在反向传输模式时，副边高频开关网络工作在逆变模式，原边高频开关网络工作在整流模式，原边扼流电感及原边直流电源可等效为可变负载。副边直流电源串联副边扼流电感相当于直流电流源，经副边高频开关网络逆变为高频方波交流电流源，再依次经过副边并联补偿电容、副边串联补偿电容、松耦合变压器、原边串联补偿电容、原边并联补偿电容产生一个相同频率的高频正弦交流电流源，经原边高频开关网络整流后给等效可变负载供电。有益效果:相较于负载变化时引入多个闭环控制实现原边电流恒定、系统输出电流恒定和系统谐振工作频率稳定，本方案设计难度较小，结构简单，提高了系统稳定性及安全性；在谐振频率下工作时，输入阻抗为纯阻性，可以提高系统效率；系统中能量发射端、接收端均采用对等拓扑，该对等拓扑可工作于磁场激发模式和磁场接收模式，具有镜像结构，能实现能量的双向传输。附图说明图1是本专利技术的电路结构示意图。图中：1、原边直流电源，2、原边扼流电感，3、原边高频开关网络，4、原边并联补偿电容，5、原边串联补偿电容，6、松耦合变压器，7、副边串联补偿电容，8、副边并联补偿电容，9、副边高频开关网络，10、副边扼流电感，11、副边直流电源。图2是采用原副边磁能发射机构互感模型搭建的能量正向传输模式下系统电路结构图。图3是松耦合变压器的漏感模型和互感模型图。图4是本专利技术的漏感模型电路结构示意图。图5是图2系统谐振后的初步简化图。图6是图2系统谐振后的最终简化图。图7是Matlab仿真下采用原副边磁能发射机构互感模型搭建的能量正向传输模式下系统电路结构图。图8是能量正向传输模式时负载电阻在0.3s由10Ω变到50Ω时的负载输出电流io的波形。图9是能量正向传输模式时负载电阻在0.3s由10Ω变到50Ω时的原边线圈电流ip的波形。图10是能量正向传输模式时负载电阻在0.3s由10Ω变到50Ω时系统输入端有功功率Pin与无功功率Qin的波形。具体实施方式为更好地阐释本专利技术的优点、目的及设计方案，下面将结合附图对本专利技术的具体实施例作进一步详细描述。实施例1：如图1所示，一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统具体由1、原边直流电源，2、原边扼流电感，3、原边高频开关网络，4、原边并联补偿电容，5、原边串联补偿电容，6、松耦合变压器，7、副边串联补偿电容，8、副边并联补偿电容，9、副边高频开关网络，10、副边扼流电感，11、副边直流电源构成。以能量正向传输模式为例，如图2所示。原、副边高频开关网络均由4个全控型开关器件及其反并联二极管组成，原边高频开关网络工作在逆变模式，副边高频开关网络工作在整流模式，副边扼流电感及副边直流电源可等效为可变负载。反向传输与正向传输机理相同。所述的原边直流电源与原边扼流电感，原边高频开关网络组成电流型逆变电路。其中，原边高频开关网络在逆变模式下的工作方式采用180°互补导电方式。所述的原边并联补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统及其设计方法，其特征在于：该无线电能传输系统包括：原边直流电源、原边扼流电感、原边高频开关网络、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容、副边高频开关网络、副边扼流电感及副边直流电源；其中，原边直流电源与原边扼流电感串联后并联在原边高频开关网络的输入端，原边并联补偿电容并联在原边高频开关网络的输出端，原边串联补偿电容与松耦合变压器的原边绕组串联后并联在原边并联补偿电容两端，松耦合变压器的副边绕组与副边串联补偿电容串联后并联在副边并联补偿电容两端，副边并联补偿电容并联在副边高频开关网络的输入端，副边扼流电感与副边直流电源串联后并联在副边高频开关网络的输出端；整个系统原、副边呈镜像对称结构，通过对原、副边高频开关网络的控制可实现系统能量的双向传输；一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统的具体设计方法为：在系统参数设计时，保证松耦合变压器的原副边绕组材料相同、参数一致、匝数相等；原边串联补偿电容补偿松耦合变压器的原边漏感，使两者发生串联谐振；副边串联补偿电容补偿松耦合变压器的副边漏感，使两者发生串联谐振；原边并联补偿电容与副边并联补偿电容共同补偿松耦合变压器的励磁电感，使原边并联补偿电容与副边并联补偿电容共同与励磁电感发生并联谐振。最终，设计系统原边串联补偿电容值与副边串联补偿电容值大小相等，原边并联补偿电容值与副边并联补偿电容值大小相等。...

【技术特征摘要】
1.一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统及其设计方法，其特征在于：该无线电能传输系统包括：原边直流电源、原边扼流电感、原边高频开关网络、原边并联补偿电容、原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边串联补偿电容、副边并联补偿电容、副边高频开关网络、副边扼流电感及副边直流电源；其中，原边直流电源与原边扼流电感串联后并联在原边高频开关网络的输入端，原边并联补偿电容并联在原边高频开关网络的输出端，原边串联补偿电容与松耦合变压器的原边绕组串联后并联在原边并联补偿电容两端，松耦合变压器的副边绕组与副边串联补偿电容串联后并联在副边并联补偿电容两端，副边并联补偿电容并联在副边高频开关网络的输入端，副边扼流电感与副边直流电源串联后并联在副边高频开关网络的输出端；整个系统原、副边呈镜像对称结构，通过对原、副边高频开关网络的控制可实现系统能量的双向传输；一种恒流输出型复合谐振网络双向无线电能传输系统的具体设计方法为：在系统参数设计时，保证松耦合变压器的原副边绕组材料相同、参数一致、匝数相等；原边串联补偿电容补偿松耦合变压器的原边漏感，使两者发生串联谐振；副边串联补偿电容补偿松耦合变压器的副边漏感，使两者发生串联谐振；原边并联补偿电...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晨阳，张杨，郑凯，陈国平，朱文婷，郭祥，包志成，许梦迪，宋如楠，孙彦景，伍小杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32