基于T-Π复合谐振网络ECPT系统及其参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于T‑Π复合谐振网络ECPT系统及其参数设计方法，在发射单元中设置T‑LCL谐振网络为耦合单元提供恒流激励，在接收单元中设置Π‑CLC谐振网络实现恒定电压输出，在分析全谐波畸变率、频率敏感性及负载可变范围的基础上给出了系统参数设计方法，该发明专利技术实现了当负载阻值在一定范围内变化时，输出电压基本保持恒定，同时保证系统运行在ZPA状态，无需额外增加通信和调节控制电路，有效降低了系统的成本与复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于T-Π复合谐振网络ECPT系统及其参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种基于T-Π复合谐振网络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、微波、超声波等介质作为能量载体来传输电能，该技术已经受到国内专家学者的广泛关注，目前已在电动车、家用电器、医疗器械、水下探测器、智能家居等应用领域展开研究，并取得了诸多成果。ECPT(Electric-fieldCoupledPowerTransfer)，又称为CPT(CapacitivePowerTransfer)、CCPT(CapacitivelyCoupledPowerTransfer)。该技术的耦合单元轻便成本低且柔韧性好，并具有对周围金属导体不会产生涡流损耗以及电磁兼容性较好等诸多优点，因此在电动车充/供电、便携式电子产品，LED照明等诸多领域有很好的应用前景。目前国内外的专家学者在ECPT系统的高频逆变器设计、耦合单元的补偿、输出稳压控制、能量与信号同步传输、谐振拓扑、传输间距扩增等方面已获得了众多的研究成果。在ECPT系统的应用中，许多电设备要求其输入电压不随着负载的变化而发生大的改变。纵观现有的具有恒压输出特性的ECPT系统，其中一部分系统需要设置额外的检测与控制电路来调节输出电压；另一部分系统则需要高频变压器进行阻抗变换，系统的电路结构较为复杂且成本较高。另外，当负载发生变化时，现有ECPT系统的发射端谐振电路并不能工作在ZPA状态(ZeroPhaseAngle，ZPA)，从而造成系统的功率因数减小且逆变器的软切换频率发生漂移。
技术实现思路
本申请通过提供一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统及其参数设计方法，以解决现有技术中为了获得恒压输出特性而导致的系统电路结构复杂、成本高的问题，以及发射端谐振电路不能工作在ZPA状态而造成系统的功率因数减小且逆变器的软切换频率发生漂移的技术问题。为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统，包括直流电源、高频逆变电路、T-LCL谐振网络、由补偿电感Ls以及两对耦合极板构成的耦合单元、Π-CLC谐振网络、整流滤波电路以及负载RL，其中，所述直流电源经由所述高频逆变电路转变为交变电压，所述T-LCL谐振网络由谐振电感L1t、谐振电感L2t以及谐振电容Ct构成，所述谐振电感L1t的一端与所述谐振电感L2t的一端连接，所述谐振电感L1t的另一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L2t的另一端与所述补偿电感Ls的一端连接，所述谐振电容Ct的一端连接在所述谐振电感L1t和谐振电感L2t之间，所述谐振电容Ct的另一端连接一块发射极板以及所述高频逆变电路的第二输出端，所述补偿电感Ls的另一端连接另一块发射极板，所述Π-CLC谐振网络由谐振电感Lp、谐振电容C1p以及谐振电容C2p构成，在所述谐振电容C1p的两端各自连接有一块接收极板，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，谐振电容C1p的一端经过谐振电感Lp与所述整流滤波电路的第一输入端连接，谐振电容C1p的另一端与所述整流滤波电路的第二输入端连接，在所述整流滤波电路的第一输入端和第二输入端之间连接所述谐振电容C2p，在所述整流滤波电路的两个输出端之间连接所述负载RL。进一步地，所述谐振电容C1p的电容值与所述谐振电容C2p的电容值相等。一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统的参数设计方法，包括如下步骤：S1：根据应用场景的需求确定该系统的工作频率f以及耦合单元的等效电容Cs，进而计算补偿电感Ls；S2：给定负载阻值RL、输出电压Uout及等效负载变化百分比α，其中，等效负载变化百分比α包括等效负载阻值增加的百分比α+和等效负载阻值减小的百分比α-；S3：判断是否满足如果是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S4，其中，thd2为Π-CLC谐振网络的全谐波畸变率设定值，η0为耦合单元传输效率设定值，Rs为耦合单元介质损耗的等效电阻RCs与补偿电感等效串联内阻之和，Re为整流滤波电路与负载RL的等效负载阻值；S4：减小|α-|，并跳转至步骤S3；S5：在范围内选择Π-CLC谐振网络的品质因数Qπ；S6：求得Π-CLC谐振网络的谐振电感Lp、谐振电容C1p以及谐振电容C2p；S7：判断是否满足如果是，则进入步骤S9，否则，进入步骤S8，其中，thd1为T-LCL谐振网络的全谐波畸变率设定值；S8：减小|α+|，并跳转至步骤S3；S9：在内选择品质因素Qt；S10：根据T-LCL谐振网络的特性求得谐振电感L1t、谐振电感L2t以及谐振电容Ct；S11：根据傅里叶变换和系统的特性确定直流输入电压为进一步地，thd1＝10％，thd2＝10％，η0＝90％。进一步地，步骤S2中，等效负载变化百分比式中，Re′为Re变化后的等效负载阻值。进一步地，步骤S6中，按照以下关系式求得Π-CLC谐振网络的谐振电感Lp、谐振电容C1p以及谐振电容C2p：Qπ＝ω0C2pRπ；λπ＝C1p/C2p＝1；式中，为谐振电感Lp的电抗，为谐振电容C1p的电抗，ω0为固有谐振角频率，Rπ为Π-CLC谐振网络的等效电阻。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：实现了当负载阻值在一定范围内变化时，输出电压基本保持恒定，同时保证系统运行在ZPA状态，无需额外增加通信和调节控制电路，有效降低了系统的成本与复杂度。附图说明图1为基于T-Π复合谐振网络ECPT系统拓扑图；图2为耦合单元与拾取单元的等效电路图；图3为Π-CLC谐振网络拓扑图；图4为T-LCL谐振网络拓扑图；图5为Π-CLC谐振网络输入相角关于ωn与Qπ的等高图；图6为T-LCL谐振网络输入相角关于ωn与Qt的等高图；图7为系统参数设计方法流程图；图8为输出电压仿真波形图；图9为逆变器输出电压与电流仿真波形图；图10为整流桥输入电压与电流仿真波形图；图11(a)为负载阻值从100Ω增加到110Ω时输出电压的实验波形图；图11(b)为负载阻值从100Ω减小到90Ω时输出电压的实验波形图；图11(c)为逆变器输出与整流桥输入的实验波形图。具体实施方式本申请实施例通过提供一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统及其参数设计方法，以解决现有技术中为了获得恒压输出特性而导致的系统电路结构复杂、成本高的问题，以及发射端谐振电路不能工作在ZPA状态而造成系统的功率因数减小且逆变器的软切换频率发生漂移的技术问题。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。实施例一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统，如图1所示，包括直流电源、高频逆变电路、T-LCL谐振网络、由补偿电感Ls以及两对耦合极板构成的耦合单元、Π-CLC谐振网络、整流滤波电路以及负载RL，其中，所述直流电源经由所述高频逆变电路转变为交变电压，所述T-LCL谐振网络由谐振电感L1t、谐振电感L2t以及谐振电容Ct构成，所述谐振电感L1t的一端与所述谐振电感L2t的一端连接，所述谐振电感L1t的另一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L2t的另一端与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于T‑Π复合谐振网络ECPT系统，其特征在于，包括直流电源、高频逆变电路、T‑LCL谐振网络、由补偿电感L

【技术特征摘要】
1.一种基于T-Π复合谐振网络ECPT系统，其特征在于，包括直流电源、高频逆变电路、T-LCL谐振网络、由补偿电感Ls以及两对耦合极板构成的耦合单元、Π-CLC谐振网络、整流滤波电路以及负载RL，其中，所述直流电源经由所述高频逆变电路转变为交变电压，所述T-LCL谐振网络由谐振电感L1t、谐振电感L2t以及谐振电容Ct构成，所述谐振电感L1t的一端与所述谐振电感L2t的一端连接，所述谐振电感L1t的另一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述谐振电感L2t的另一端与所述补偿电感Ls的一端连接，所述谐振电容Ct的一端连接在所述谐振电感L1t和谐振电感L2t之间，所述谐振电容Ct的另一端连接一块发射极板以及所述高频逆变电路的第二输出端，所述补偿电感Ls的另一端连接另一块发射极板，所述Π-CLC谐振网络由谐振电感Lp、谐振电容C1p以及谐振电容C2p构成，在所述谐振电容C1p的两端各自连接有一块接收极板，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，谐振电容C1p的一端经过谐振电感Lp与所述整流滤波电路的第一输入端连接，谐振电容C1p的另一端与所述整流滤波电路的第二输入端连接，在所述整流滤波电路的第一输入端和第二输入端之间连接所述谐振电容C2p，在所述整流滤波电路的两个输出端之间连接所述负载RL。2.根据权利要求1所述的基于T-Π复合谐振网络ECPT系统，其特征在于，所述谐振电容C1p的电容值与所述谐振电容C2p的电容值相等。3.如权利要求1所述的基于T-Π复合谐振网络ECPT系统的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据应用场景的需求确定该系统的工作频率f以及耦合单元的等效电容Cs，进而计算补偿电感Ls；S2：给定负载阻值RL、输出电压Uout及等效负载变化百分比α，其中，等效负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，谢诗云，唐春森，戴欣，孙跃，叶兆虹，王智慧，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50