无线电能传输系统补偿拓扑结构技术方案

无线电能传输系统补偿拓扑结构，涉及一种无线电能传输系统补偿拓扑结构，本发明专利技术为解决现有无线电能传输系统补偿拓扑结构补偿器件数量较多、系统成本较高、功率密度较低的问题。S/CLC补偿拓扑包括原边串联补偿电容、松耦合变压器、副边并联补偿电容、副边串联补偿电感和移相电容；原边串联补偿电容连接全桥逆变器，原边串联补偿电容连接松耦合变压器原边自感，松耦合变压器原边自感连接全桥逆变器，松耦合变压器副边自感连接副边并联补偿电容和副边串联补偿电感，松耦合变压器副边自感连接副边并联补偿电容、移相电容和全波整流器，副边串联补偿电感连接移相电容和全波整流器。本发明专利技术用于无线电能传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线电能传输系统补偿拓扑结构。
技术介绍
无线电能传输对补偿拓扑的要求至少有4个方面：①能够实现输入零相角(ZeroPhaseAngle,ZPA)，零电压开关(ZeroVoltageSwitching,ZVS)调试方便；②补偿拓扑末端输出电压/电流和负载无关；③系统输出电压/电流不受松松耦合变压器的限制；④补偿器件数量少，系统功率密度、效率高。系统输出电压/电流不受松耦合变压器限制是指对于给定的负载，在不改变无线电能传输系统输入电压和工作频率、不更换松松耦合变压器的情况下，仅通过调节系统补偿器件参数就可调节系统输出电压/电流的特性。目前已存在的补偿拓扑主要有SS、SP、PS、PP四种基本补偿拓扑以及S/SP、SP/S、LCL、双边LCC等新型补偿拓扑，这些补偿拓扑都不能同时满足无线电能传输对补偿拓扑的4个要求。PP和PS补偿拓扑根本不适合用于无线电能传输，因为在无线电能传输系统中，补偿拓扑的输入一般是方波电压，当补偿拓扑输入电压的极性变化时，原边并联补偿电容(PS和PP补偿中的第一个P对应的补偿电容)的电压会迅速上升到电源电压，此后该电容中不再有电流流过，除非输入电压极性发生变化，该电容已经失去了无功补偿的作用。对于SS和SP补偿拓扑来说，不同的参数设计方法会导致他们具有不同的特性。以SS补偿拓扑为例，若原、副边补偿电容分别按照补偿松松耦合变压器原、副边自感的原则选取，则系统的输入阻抗角为零，系统的输出电压和负载无关，并且系统只用了两个补偿电容，是一种综合性能比较优异的补偿拓扑，但是系统的输出电压受到松松耦合变压器的限制。按照上述原则选取补偿电容的SS补偿拓扑的输出电压可以通过调节开关管的移相角来调节，但是该方法有两个缺点：①当移相角为零时，若想继续提高输出电压，无法实现；②移相角不能大于超前角(逆变器输出电压超前输出电流的相角)，否则系统失去零电压开关特性，损耗大大增加。除了按照补偿自感的原则选取补偿电容，还可以按照补偿漏感的原则选取补偿电容，此时系统输出电压和仍然和负载无关，补偿器件数量也只有两个，但是输入阻抗角不再为零，系统中无功较多，损耗增大，效率下降，系统的输出电压也仍然受到松松耦合变压器的限制。总而言之，SS和SP补偿拓扑不能同时满足无线电能传输对补偿拓扑的4个要求。S/SP补偿拓扑可看作是SS和SP补偿拓扑的组合体，它解决了SS补偿拓扑对耦合系数变换非常敏感、SP补偿拓扑无法实现输入零相角这两大问题，但是它仍然无法满足无线电能传输对补偿拓扑的第三个要求。SP/S补偿拓扑最大的问题是输出电压和电流随负载的变化而变化，这会增加系统控制电路设计难度，SP/S补偿拓扑也无法满足无线电能传输对补偿拓扑的第三个要求。LCL补偿拓扑的理论基础是对称T形网络，这就要求补偿电感(LCL中的第一个L对应的电感)和松松耦合变压器自感(LCL中的第二个L对应的电感)相等，因此一旦松松耦合变压器确定，系统中所有参数就都确定，系统输出电压/电流受到松松耦合变压器参数限制。双边LCC补偿网络各项性能都很优异，但是需要2个补偿电感，4个补偿电容，补偿器件数量较多，系统成本较高，功率密度较低。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有无线电能传输系统的补偿拓扑结构补偿器件数量较多、系统成本较高、功率密度较低的问题，提供了一种无线电能传输系统补偿拓扑结构。本专利技术所述无线电能传输系统补偿拓扑结构，该拓扑结构包括直流输入电压源Uin、全桥逆变器、S/CLC补偿拓扑、全波整流器、滤波电感LF、滤波电容CF和负载电阻RL；全桥逆变器的一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的正极，全桥逆变器的另一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的负极；S/CLC补偿拓扑包括原边串联补偿电容C1、松耦合变压器、副边并联补偿电容C2、副边串联补偿电感L1和移相电容C3；原边串联补偿电容C1的一端连接全桥逆变器的一个交流输出端，原边串联补偿电容C1的另一端连接松耦合变压器原边自感LP的一端，松耦合变压器原边自感LP的另一端连接全桥逆变器的另一个交流输出端，松耦合变压器副边自感LS的一端同时连接副边并联补偿电容C2的一端和副边串联补偿电感L1的一端，松耦合变压器副边自感LS的另一端同时连接副边并联补偿电容C2的另一端、移相电容C3的一端和全波整流器的一个交流输入端，副边串联补偿电感L1的另一端同时连接移相电容C3的另一端和全波整流器的另一个交流输入端；滤波电感LF的一端连接全波整流器的一个直流输出端，滤波电感LF的另一端同时连接滤波电容CF的一端和负载电阻RL的一端，全波整流器的另一个直流输出端同时连接滤波电容CF的另一端和负载电阻RL的另一端。本专利技术的优点：本专利技术提出了一种能够同时满足上述4个要求的补偿拓扑，该补偿拓扑可以显著增强无线电能传输系统输出电压调节的灵活性，同时能够以最小的无功容量实现开关管的零电压开通，系统调试简单快捷，输出电压不随负载变化，而且该补偿拓扑对耦合系数的变化不敏感，因此可以用于电动汽车的动态无线充电，和双边LCC补偿拓扑相比，该补偿拓扑仅需4个补偿器件，大大降低系统成本、体积，系统的功率密度明显提高。本专利技术提出的S/CLC补偿拓扑，输出电压和负载无关，该特性将大大简化系统控制电路的设计，在一些要求不高的场合，甚至可以取消控制电路。同时，该补偿拓扑能够实现输入零相角和零电压开关，两者之间的切换十分方便，大大简化了电路调试过程。此外，本补偿拓扑的输出电压可以通过改变补偿器件的参数来进行调节，避免了更换松松耦合变压器带来的成本较大、周期较长的问题。和双边LCC补偿拓扑比起来，S/CLC补偿拓扑只用了4个补偿器件，显著降低了系统成本，提高了系统功率密度。附图说明图1是本专利技术所述无线电能传输系统补偿拓扑结构的结构示意图；图2是图1的等效电路图，其中：a1表示串联谐振腔，a2表示LC谐振腔，a3表示CL谐振腔；图3是实现ZPA时全桥逆变器输出电压电流波形图；图4是实现ZVS时全桥逆变器输出电压电流波形图；图5是负载电压随输入电压和补偿器件参数变化曲线图，其中横坐标表示输入电压，纵坐标表示负载电压；图6是负载突变时负载电压波形图。具体实施方式具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述无线电能传输系统补偿拓扑结构，该拓扑结构包括直流输入电压源Uin、全桥逆变器1、S/CLC补偿拓扑2、全波整流器3、滤波电感LF、滤波电容CF和负载电阻RL；全桥逆变器1的一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的正极，全桥逆变器1的另一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的负极；S/CLC补偿拓扑2包括原边串联补偿电容C1、松耦合变压器、副边并联补偿电容C2、副边串联补偿电感L1和移相电容C3；原边串联补偿电容C1的一端连接全桥逆变器1的一个交流输出端，原边串联补偿电容C1的另一端连接松耦合变压器原边自感LP的一端，松耦合变压器原边自感LP的另一端连接全桥逆变器1的另一个交流输出端，松耦合变压器副边自感LS的一端同时连接副边并联补偿电容C2的一端和副边串联补偿电感L1的一端，松耦合变压器副边自感LS的另一端同时连接副边并联补偿电容C2的另一端、移相电容C3的一端和全波整流器3的一个交流输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线电能传输系统补偿拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括直流输入电压源Uin、全桥逆变器(1)、S/CLC补偿拓扑(2)、全波整流器(3)、滤波电感LF、滤波电容CF和负载电阻RL；全桥逆变器(1)的一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的正极，全桥逆变器(1)的另一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的负极；S/CLC补偿拓扑(2)包括原边串联补偿电容C1、松耦合变压器、副边并联补偿电容C2、副边串联补偿电感L1和移相电容C3；原边串联补偿电容C1的一端连接全桥逆变器(1)的一个交流输出端，原边串联补偿电容C1的另一端连接松耦合变压器原边自感LP的一端，松耦合变压器原边自感LP的另一端连接全桥逆变器(1)的另一个交流输出端，松耦合变压器副边自感LS的一端同时连接副边并联补偿电容C2的一端和副边串联补偿电感L1的一端，松耦合变压器副边自感LS的另一端同时连接副边并联补偿电容C2的另一端、移相电容C3的一端和全波整流器(3)的一个交流输入端，副边串联补偿电感L1的另一端同时连接移相电容C3的另一端和全波整流器(3)的另一个交流输入端；滤波电感LF的一端连接全波整流器(3)的一个直流输出端，滤波电感LF的另一端同时连接滤波电容CF的一端和负载电阻RL的一端，全波整流器(3)的另一个直流输出端同时连接滤波电容CF的另一端和负载电阻RL的另一端。...

【技术特征摘要】
1.无线电能传输系统补偿拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括直流输入电压源Uin、全桥逆变器(1)、S/CLC补偿拓扑(2)、全波整流器(3)、滤波电感LF、滤波电容CF和负载电阻RL；全桥逆变器(1)的一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的正极，全桥逆变器(1)的另一个直流输入端连接直流输入电压源Uin的负极；S/CLC补偿拓扑(2)包括原边串联补偿电容C1、松耦合变压器、副边并联补偿电容C2、副边串联补偿电感L1和移相电容C3；原边串联补偿电容C1的一端连接全桥逆变器(1)的一个交流输出端，原边串联补偿电容C1的另一端连接松耦合变压器原边自感LP的一端，松耦合变压器原边自感LP的另一端连接全桥逆变器(1)的另一个交流输出端，松耦合变压器副边自感LS的一端同时连接副边并联补偿电容C2的一端和副边串联补偿电感L1的一端，松耦合变压器副边自感LS的另一端同时连接副边并联补偿电容C2的另一端、移相电容C3的一端和全波整流器(3)的一个交流输入端，副边串联补偿电感L1的另一端同时连接移相电容C3的另一端和全波整流器(3)的另一个交流输入端；滤波电感LF的一端连接全波整流器(3)的一个直流输出端，滤波电感LF的另一端同时连接滤波电容CF的一端和负载电阻RL的一端，全波整流器(3)的另一个直流输出端同时连接滤波电容CF的另一端和负载电阻RL的另一端。2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统补偿拓扑结构，其特征在于，S/CLC补偿拓扑(2)的参数选择包括串联补偿电容C1、副边并联补偿电容C2、副边串联补偿电感L1和移相电容C3的值；参数选择依据如下：步骤1、根据给定参数确定系统工作角频率ωS、松耦合变压器原边自感LP、副边自感LS和耦合系数k；给定参数包括系统输出功率PRL、尺寸、传输距离和质量；步骤2、当全桥逆变器(1)的移相角为0°时，根据式(1)求得副边串联补偿电感L1的值：L1=π2(1-k)LPLSPRLRL82·Uin---(1)]]>式中，RL是负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓胜，姚友素，王懿杰，张潇锐，刘梦雨，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23