基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT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LCL‑LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统及其参数设计方法，系统原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载，原边电路采用恒流输出，副边电路采用恒压输出，发射线圈Lp2和接收线圈Ls相互耦合实现无线电能传输。这种新型电路拓扑，相对传统无线电能传输系统减少调压环节，降低了系统复杂度，在WPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，当负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定，通过实验验证，上述系统在负载变化50％的情况下仍能够满足原边线圈恒流，副边负载电压恒定的要求，符合实际应用需要。

【技术实现步骤摘要】
基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT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，具体涉及一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统及其参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术作为一种新型的电能接入方式，摆脱了导线的束缚，使电能的接入更加灵活、安全、方便，因此，在家用电器、电动汽车、生物医电、轨道交通等非接触充电领域，及矿井及水下等危险环境的无线供电领域得到了运用。在无线电能传输系统中，发射线圈中电流的恒定意味着能够产生稳定的磁场，副边电路才能拾取到稳定的电压，有利于电能在后级电路结构中传输的控制。然而，副边电路中的负载的动态变化会导致电路当中的电压、电流不稳定。在目前实际的电路当中通过加入调压电路(Buck/Boost)来实现电路的稳定工作，调压电路的加入增加电路的复杂度，增加了电路控制难度，还增加了电路的能量损耗。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺陷，本专利技术采用LCL—LCC的拓扑结构，旨在减少系统中电路环节，减少电路控制复杂度，保证在负载变化的情况下发射线圈上的电流恒定，副边负载电压恒定，从而实现电路稳定工作，对系统稳定工作有着重大的意义和价值。为实现上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：首先，提出一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其关键在于：原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载；所述LCL补偿网络包括电感Lp1、电容Cp以及发射线圈Lp2，电容Cp和发射线圈Lp2构成原边并联谐振回路，电感Lp1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；所述LCC补偿网络包括接收线圈Ls、电容Cs1以及电容Cs2，接收线圈Ls和电容Cs2构成副边并联谐振回路，电容Cs1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上；所述原边电路采用恒流输出，所述副边电路采用恒压输出，所述发射线圈Lp2和接收线圈Ls相互耦合实现无线电能传输。进一步地，发射线圈Lp2与接收线圈Ls之间的互感值保持恒定。进一步地，副边电路工作频率其中Ls为接收线圈Ls的自感值，Cs1为电容Cs1的容抗值，Cs2为电容Cs2的容抗值。进一步地，原边电路工作频率其中Lp1为电感Lp1的自感值，且与发射线圈Lp2的自感值相同，Cp为电容Cp的容抗值。基于上述电路系统，本专利技术还提出一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统的参数设计方法，主要按以下步骤进行：S1：设定直流输入电压Uin，负载阻抗R，系统频率f，发射线圈Lp2的自感值和接收线圈Ls的自感值；S2：设定电压增益σ，并根据电压增益与副边电容比λ之间的关系确定电容Cs1与电容Cs2的容值比；S3：根据原边恒流条件确定电容Cp的容值；S4：根据副边恒压条件以及副边电容比λ确定电容Cs1和电容Cs2的容抗值；S5：验证参数的可行性。进一步地，步骤S3中原边恒流条件为：原边电路工作频率等于系统频率，即其中Lp1为电感Lp1的自感值，且与发射线圈Lp2的自感值相同，Cp为电容Cp的容抗值。进一步地，步骤S4中副边恒压条件为：副边电路工作频率等于系统频率，即其中Ls为接收线圈Ls的自感值，Cs1为电容Cs1的容抗值，Cs2为电容Cs2的容抗值。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：本专利技术提出一种具有恒压恒流特性的补偿网络，并给出了系统参数的设计方法，这种新型电路拓扑，相对传统无线电能传输系统减少调压环节，降低了系统复杂度，在WPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，当负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定，通过实验验证，上述系统在负载变化50％的情况下仍能够满足原边线圈恒流，副边负载电压恒定的要求，符合实际应用需要。附图说明图1为本专利技术的系统电路原理图；图2为副边电路等效模型图；图3为原边电路等效模型图；图4为电压增益与副边电容比变化曲线；图5为本专利技术的方法流程图；图6为实验验证过程中发射线圈的电流波形图；图7为实验验证过程中负载电压波形图；图8为负载电压随负载变化的效果图。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，一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载，直流电源输入Uin经过高频逆变电路后获得所需频率的高频交流电，经过LCL补偿网络后通过发射线圈以高频磁场的形式进行传输，此时，接收线圈会接收到频率一致的感应电压，经过LCC补偿网络后供给负载，原边电路采用恒流输出，副边电路采用恒压输出。通过图1可以看出，所述LCL补偿网络包括电感Lp1、电容Cp以及发射线圈Lp2，电容Cp和发射线圈Lp2构成原边并联谐振回路，电感Lp1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；所述LCC补偿网络包括接收线圈Ls、电容Cs1以及电容Cs2，接收线圈Ls和电容Cs2构成副边并联谐振回路，电容Cs1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上。为了便于分析，忽略电路当中器件的内阻，在全桥逆变中，对逆变输出电压波形做定量分析，把幅值为Uin的矩形波UAB展开成傅里叶级数可表示为：由于LCL补偿网络具有滤波的特性，在分析电路是只考虑电压的基波分量VAB，即为：图1中的LCL—LCC补偿网络的WPT系统副边的等效电路如下图2所示，其中Uoc为副边开路拾取电压，R为系统负载，Zs为副边电路输入阻抗，Ls、Cp1、Cp2构成恒压电路。由图2，根据基尔霍夫定律可得以下关系：为了计算方便，做以下代换：UR＝Is2R(4)Uoc＝Is1Zs1+(Is1-Is2)Zs3(5)Uoc＝Is1Zs1+Is2Zs2+UR(6)联立上式(4)(5)(6)可得：其中原边等效电路如图3所示，VAB为逆变输出电压，Lp1、Lp2、Cp1构成原边恒流电路，Zsp为副边反射阻抗，其表达式为：由原边阻抗分析可得，副边阻抗为：系统的输入阻抗为：根据图3，由基尔霍夫定律可得以下关系：为了方便计算，做以下代换：VAB＝Ip1Zp1+(Ip1-Ip2)Zp3(12)VAB＝Ip1Zp1+Ip2(Zp2+Zsp)(13)联立上式(12)、(13)可以得出Ip2的表达关系式：由式(7)可知，当A＝0时，负载R两端电压UR与R无关，又由(16)式可知，欲使UR恒定则必须保证ωp、M、Ip2恒定，又因为原、副边线圈位置相对固定，互感M恒定，则只需证明ωp、Ip2恒定，由(16)、(19)两式可看出ωp只与电路当时的输入电压、电容、电感参数有关，与负载R变化无关。从而实现了负载两端电压恒定。副边工作频率如下：当工作频率满足以上关系时，可以实现副边负载两端电压恒定，负载两端电压为：由式(14)可知，欲使Ip2恒定，与负载R变化无关，即与反射阻抗Zsp的变化无关，则满足以下关系：Zp1+Zp3＝0(17)即原边工作频率满足以下条件：工作频率满足以上的关系，可以得到发射线圈电流Ip2的关系：由以上分析可知原边、副边工作频率分别为fp、fs,系统工作频率需满足f＝fp＝fs的关系。根据以上分析可得出基于LCL-LCC补偿网络WPT系统原边恒流，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LCL‑LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载；所述LCL补偿网络包括电感Lp1、电容Cp以及发射线圈Lp2，电容Cp和发射线圈Lp2构成原边并联谐振回路，电感Lp1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；所述LCC补偿网络包括接收线圈Ls、电容Cs1以及电容Cs2，接收线圈Ls和电容Cs2构成副边并联谐振回路，电容Cs1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上；所述原边电路采用恒流输出，所述副边电路采用恒压输出，所述发射线圈Lp2和接收线圈Ls相互耦合实现无线电能传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：原边电路包括高频逆变电路和LCL补偿网络，副边电路包括LCC补偿网络和负载；所述LCL补偿网络包括电感Lp1、电容Cp以及发射线圈Lp2，电容Cp和发射线圈Lp2构成原边并联谐振回路，电感Lp1串接在原边并联谐振回路任意一端输入干线上；所述LCC补偿网络包括接收线圈Ls、电容Cs1以及电容Cs2，接收线圈Ls和电容Cs2构成副边并联谐振回路，电容Cs1串接在副边并联谐振回路任意一端输出干线上；所述原边电路采用恒流输出，所述副边电路采用恒压输出，所述发射线圈Lp2和接收线圈Ls相互耦合实现无线电能传输。2.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：发射线圈Lp2与接收线圈Ls之间的互感值保持恒定。3.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：副边电路工作频率其中Ls为接收线圈Ls的自感值，Cs1为电容Cs1的容抗值，Cs2为电容Cs2的容抗值。4.根据权利要求1所述的基于LCL-LCC补偿网络的恒压恒流WPT系统，其特征在于：原边电路工作频率其中Lp1为...

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