基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法，在发射端电路中设置有T型CLC谐振网络，通过对T型CLC谐振网络中的参数进行合理设计，可以保证当接收端电路从系统中移除后，系统自动进入待机状态；当接收端电路移入后，系统重新高效地为负载传输功率，并且能够确保负载在一定范围内变化时，使系统具有较好的恒压输出特性，且这些功能都不需要依赖任何额外的检测和控制电路，降低了系统成本和控制器的设计难度。

Load-adaptive ECPT system and parameter design method based on T-type CLC resonant network

The invention discloses a load adaptive ECPT system and parameter design method based on T-type CLC resonant network. A T-type CLC resonant network is installed in the transmitter circuit. By reasonably designing the parameters of the T-type CLC resonant network, the system can automatically enter the standby state when the receiver circuit is removed from the system; when the receiver circuit is moved in, the system can be re-efficient. It can transmit power to the load, and ensure that the system has better constant voltage output characteristics when the load changes in a certain range, and these functions do not need to rely on any additional detection and control circuits, which reduces the cost of the system and the design difficulty of the controller.

【技术实现步骤摘要】
基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输
，更具体地说，涉及一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法。
技术介绍
WPT(WirelessPowerTransfer,无线电能传输)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输，现已成为国内外科研机构研究与开发的热点。其中，基于电场耦合的电能传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，成本低且形状易变等优点；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。在某些领域的应用可与基于磁场耦合的无线电能传输技术形成优势互补，因此越来越多的专家学者围绕电场耦合电能传输(Electric-FieldCoupledPowerTransfer,ECPT)技术展开研究。在ECPT技术的某些应用中，例如电动汽车、厨房电器以及消费电子等可移动负载设备的充/供电，系统的电能接收端(包括：接收端耦合极板、功率调节电路以及用电设备的等效负载电阻等)经常会从无线供电系统中移入移除。另一方面，有些用电设备安装了电源开关，用电源开关的通断实现用电设备负载的投入切除。以电热水壶为例，当水沸腾后会自动切断电源。上述第一种工况中，电能接收端移入移除的时间尺度远大于ECPT系统逆变器开关管的工作周期，相对于ECPT系统逆变器开关管的工作周期而言可将其视为系统从满载-空载-满载的慢尺度变化。第二种工况中，负载在极短的时间内投入到系统或从系统中切除，因而可将其视为系统从满载-空载-满载的快尺度变化。为了便于区分，将电能接收端的移入移除称为负载的移入移除，将用电设备的投入切除称为负载的投入切除。通过研究发现，现有的ECPT系统在负载移除/切除后存在以下几个方面的问题：1)负载切除使得串联补偿电感所在的支路突然开路，进而导致电压尖峰产生，存在安全隐患；电能接收端移除或负载切除后，电压型ECPT系统的输入阻抗显著减小，流经逆变器开关管的电流易发生过冲，存在烧毁开关管的风险；2)电能接收端移除或负载切除后，系统的输入功率大，无法运行于待机模式(低输入功率状态)，对于长期处于空载状态的ECPT系统而言(如电动汽车无线充电系统)，将造成极大的电能浪费。上述问题的存在对ECPT系统的可靠性和安全性提出了严峻的挑战，同时也不利于实现节能减排。因此，在实际应用中要求ECPT系统的负载在任意时刻的移入/移除和投入/切除都不会对逆变器开关管造成明显的电压电流过冲。当负载移入/投入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当负载移除/切除后，系统能够自动进入待机状态。此外，在实际应用中有很多用电设备还要求无线供电系统对一定范围内的负载变化具有恒压输出特性。能够满足上述要求的ECPT系统即为负载自适应ECPT系统。
技术实现思路
针对目前研究存在的问题以及实际应用中对移动性负载无线供电的自适应特性要求，本专利技术提供一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法。为实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、高频逆变电路、谐振电感L1、电容C1、谐振电感L2、电容C2、谐振电感L3以及连接在谐振电感L3两端的两块发射极板P1、P2，所述接收端电路包括两块接收极板P3、P4以及连接在两块接收极板上的负载电路。谐振电容C1等效为电容C1a与电容C1b串联，谐振电容C2等效为电容C2a与电容C2b串联，两块发射极板与两块接收极板耦合形成等效电容Cs，所述谐振电感L1与电容C1a构成串联电路作为第一谐振子网络，所述电容C1b、谐振电感L2以及电容C2a构成第一T型CLC谐振网络作为第二谐振子网络，电容C2b、谐振电感L3以及电容Cs构成第二T型CLC谐振网络作为第三谐振子网络，所述高频逆变电路输出的高频交流电源依次经过所述第一谐振子网络、第二谐振子网络以及第三谐振子网络后，由所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路向接收端电路的无线电能传输。进一步地，所述负载电路中包括桥式整流电路、滤波电容和负载电阻。进一步地，设定系统的工作角频率为ω，第一T型CLC谐振网络和第二T型CLC谐振网络的谐振角频率均为ωo，且ωo＝ω。第一发射极板P1和第一接收极板P3之间耦合形成的电容为CS1，第二发射极板P2和第二接收极板P4之间耦合形成的电容为CS2，则系统中各个电路元件参数满足：进一步地，所述系统中各电路元件参数还满足：C2b/Cs＝C1b/C2a＝1，k＝C2a/C2b＝C1a/C1b；比例参数k的取值范围为：1＜k＜3。进一步地，本专利技术还提供一种基于上述任意的基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统的参数设计方法，包括：S1：根据负载要求设定负载电路中的负载电阻RL的阻值；S2：根据输出功率的要求设置供电电压的电压幅值Edc和比例参数k的大小；S3：根据发射极板和接收极板之间的空间约束确定等效电容CS的值；S4：根据经验参数设置系统的工作频率f的初值并得到对应的工作角频率ω；S5：设定第一谐振子网络、第二谐振子网络以及第三谐振子网络的谐振频率与系统工作频率相同，则按照计算谐振电感L1、谐振电感L2、谐振电感L3、电容C1a、电容C1b、电容C2a与电容C2b的参数值，电容C1的容值为电容C1a与电容C1b的等效串联电容值，电容C2的容值为电容C2a与电容C2b的等效串联电容值；S6：通过检测谐振电感L1的电流判断是否接近正弦波，如是，则进入S7；如否，则增大系统工作频率f，返回步骤S4继续执行；S7：判断系统工作频率f是否小于预设阈值，如是，则进入S8；如否，则返回步骤S2调整供电电压的电压幅值Edc和比例参数k的大小；S8：判断各个谐振电感的电感值是否小于预设阈值，如是，则进入S9；如否，则增大系统工作频率f，返回步骤S4继续执行；S9：得到满足设计要求的系统参数，并根据得到的系统参数完成元器件选型。进一步地，步骤S6中通过计算电流的总谐波失真率THD来判断是否接近正弦波。进一步地，比例参数k的取值范围为1＜k＜3。进一步地，步骤S3中等效电容其中：CS1为第一发射极板P1和第一接收极板P3之间耦合形成的电容，CS2为第二发射极板P2和第二接收极板P4之间耦合形成的电容。通过本专利技术提供的基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统及参数设计方法，在发射端电路中设置有T型CLC谐振网络，通过对T型CLC谐振中的参数进行合理设计，可以保证在负载移入移除和投入切除的过程中，系统中不会出现任何的电压电流冲击，当接收端电路从无线供电系统中移除后，电能发射端可以自动进入待机状态；在接收端电路移入后，系统能够重新高效地为负载传输功率，并且能够确保负载在一定范围内变化时，系统具有较好的恒压输出特性，且这些功能都不需要依赖任何额外的检测和控制电路，降低了系统成本和控制器的设计难度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例提供的T型CLC谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，其特征在于，包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、高频逆变电路、谐振电感L1、谐振电容C1、谐振电感L2、谐振电容C2、谐振电感L3以及连接在谐振电感L3两端的两块发射极板P1、P2，所述接收端电路包括两块接收极板P3、P4以及连接在两块接收极板上的负载电路。谐振电容C1等效为电容C1a与电容C1b串联，谐振电容C2等效为电容C2a与电容C2b串联，两块发射极板与两块接收极板耦合形成等效电容Cs，所述谐振电感L1与电容C1a构成串联电路作为第一谐振子网络，所述电容C1b、谐振电感L2以及电容C2a构成第一T型CLC谐振网络作为第二谐振子网络，电容C2b、谐振电感L3以及电容Cs构成第二T型CLC谐振网络作为第三谐振子网络，所述高频逆变电路输出的高频交流电源依次经过所述第一谐振子网络、第二谐振子网络以及第三谐振子网络后，由所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路向接收端电路的无线电能传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，其特征在于，包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、高频逆变电路、谐振电感L1、谐振电容C1、谐振电感L2、谐振电容C2、谐振电感L3以及连接在谐振电感L3两端的两块发射极板P1、P2，所述接收端电路包括两块接收极板P3、P4以及连接在两块接收极板上的负载电路。谐振电容C1等效为电容C1a与电容C1b串联，谐振电容C2等效为电容C2a与电容C2b串联，两块发射极板与两块接收极板耦合形成等效电容Cs，所述谐振电感L1与电容C1a构成串联电路作为第一谐振子网络，所述电容C1b、谐振电感L2以及电容C2a构成第一T型CLC谐振网络作为第二谐振子网络，电容C2b、谐振电感L3以及电容Cs构成第二T型CLC谐振网络作为第三谐振子网络，所述高频逆变电路输出的高频交流电源依次经过所述第一谐振子网络、第二谐振子网络以及第三谐振子网络后，由所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路向接收端电路的无线电能传输。2.根据权利要求1所述的基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，其特征在于，所述负载电路中包括桥式整流电路、滤波电容和负载电阻。3.根据权利要求1所述的基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，其特征在于，设定系统的工作角频率为ω，第一T型CLC谐振网络和第二T型CLC谐振网络的谐振角频率均为ωo，且ωo＝ω。第一发射极板和第一接收极板之间耦合形成的电容为CS1，第二发射极板和第二接收极板之间耦合形成的电容为CS2，则系统中各个电路元件参数满足：4.根据权利要求3所述的基于T型CLC谐振网络的负载自适应ECPT系统，其特征在于，所述系统中各电路元件参数还满足：C2b/Cs＝C1b/C2a＝1，k＝C2a/C2b＝C1a/C1b；比例参数k的取值范围为：1＜k＜3。5.一种如权利要求1-4任一项所...

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