基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT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层叠式耦合机构的负载自适应EC‑WPT系统及参数设计方法，EC‑WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端和所述接收端之间采用P1、P2、P3、P4四块极板构成的层叠式耦合机构作为能量传输通道，极板P1和极板P2位于发射端，极板P3和极板P4位于接收端，且层叠式耦合机构中发射端和接收端的结构相互对称，在所述发射端还设置有直流电源、高频逆变电路以及电感L1、电容C1和电感L2构成的T型LCL补偿网络，在接收端还设置有补偿电感L3、整流滤波电路以及等效负载电阻。其效果为：保证了此系统在负载移入后可为负载提供所需功率，在负载移除后保持在低输入功率状态(待机模式)，并且在移入和移除的过程中不会对逆变器开关管造成电压和电流过冲。

Load adaptive EC-WPT system and parameter design method based on cascade coupling mechanism

The invention discloses a load adaptive EC WPT system and parameter design method based on a cascade coupling mechanism. The EC WPT system includes a transmitter and a receiver. A cascade coupling mechanism composed of four plates, P1, P2, P3 and P4, is used as an energy transmission channel between the transmitter and the receiver. The plate P1 and the plate P2 are located at the transmitter, and the plate P3 and the plate P4 are located at the junction. The structure of the transmitter and receiver in the cascade coupling mechanism is symmetrical. The transmitter is also equipped with a T-type LCL compensation network composed of DC power supply, high frequency inverters and inductors L1, capacitor C1 and inductor L2. The receiver is also equipped with compensation inductors L3, rectifier filter circuit and equivalent load resistance. The results are as follows: the system can provide the required power for the load after the load is moved in, keep the low input power state (standby mode) after the load is removed, and will not cause voltage and current overshoot to the inverter switch during the process of moving in and removing.

【技术实现步骤摘要】
基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统及参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统及参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer，WPT)技术是一种综合利用电力电子技术和现代控制理论并通过软介质来实现电能无线传输的技术，该技术已成为国内外研究热点，世界经济论坛(WEF)也连续两年将无线电能传输技术列为对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一。它解决了传统导线直接电气接触带来的各种问题，具有广泛的应用前景。其中以磁场耦合式无线电能传输(Magnetic-fieldCoupledWirelessPowerTransfer，MC-WPT)技术的研究最为热门，也取得了众多的理论和实际成果，并逐步推广应用。近年来也提出了一种基于电场耦合式的无线电能传输(Electric-FieldCoupledWirelessPowerTransfer，EC-WPT)技术，以电场作为能量传输媒介。电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；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。从EC-WPT技术的上述特点可以看出其与MC-WPT技术形成优势互补，因此也越来越受到国内外专家和学者的关注。目前，对于EC-WPT系统，已有很多专家和学者围绕LED照明、无线鼠标、移动电话、生物电测量以及电动汽车充电等方面展开了研究，取得了众多研究成果。EC-WPT系统在为可移动负载设备供电的应用中，可移动负载设备，如电动汽车无线充电系统，其电能接收端(包括接收极板、功率调节电路以及等效负载电阻等)经常需要从无线供电系统移入和移除，上述工况可视为系统的负载在空载和满载之间的变化过程，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。传统EC-WPT系统的耦合机构由两对极板平行放置构成能量传输通道，在负载移出时，需要接收端的两块极板同时移出，在负载移入时，需要接收端的两块极板和发射端两块极板恰好正对，这极大地限制了空间自由度，也限制了EC-WPT系统的实际应用。近年来，一种层叠式耦合机构的EC-WPT系统受到关注，如本申请人曾提出的一种层叠式耦合机构及其构成的ECPT系统和系统参数设计方法，专利申请号：201810566079.2，相比平行式耦合机构，层叠式耦合机构四块极板平行并排分布，大大降低了占地面积，在为可移动设备供电时，负载移入和移出更加方便，更有利于实际应用。对于目前的层叠式耦合机构的EC-WPT系统，负载的移入和移出过程中通常会导致逆变器开关管电压和电流过冲，甚至会损坏开关管。而且在负载移出后，系统仍然存在较大的输入功率，导致系统能量严重浪费。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提出一种层叠式耦合机构的EC-WPT系统，通过参数的合理设计使系统具有负载自适应特性，即负载在任意时刻的移入/移除都不会对逆变器开关管造成明显的电压和电流过冲；当负载移入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当负载移除后，系统能够自动进入低输入功率模式(待机模式)。为了实现上述目的，本专利技术首先提供一种基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统，其关键在于：包括发射端和接收端，所述发射端和所述接收端之间采用P1、P2、P3、P4四块极板构成的层叠式耦合机构作为能量传输通道，极板P1和极板P2位于发射端，极板P3和极板P4位于接收端，且层叠式耦合机构中发射端和接收端的结构相互对称，在所述发射端还设置有直流电源、高频逆变电路以及电感L1、电容C1和电感L2构成的T型LCL补偿网络，在接收端还设置有补偿电感L3、整流滤波电路以及等效负载电阻。可选地，所述层叠式耦合机构采用带凹槽的层叠式耦合机构，四块极板层叠放置，内侧极板嵌入外侧极板中，内、外侧极板之间填充有绝缘介质材料。基于上述系统，本专利技术还提出了一种负载自适应EC-WPT系统的参数设计方法，包括以下步骤：S1：根据应用场合确定层叠式耦合机构中各个极板的尺寸大小和空间位置，同时确定等效负载电阻RL和系统工作频率f；S2：根据所需的功率等级给定系统输入电压初值E；S3：根据所需的待机模式下ECPT系统输入功率指标要求设定常数N；S4：通过电桥测量得到电感品质因数QL、电容介质损耗角层叠式耦合机构中各个极板之间的端口电容值CTij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)以及负载移出后极板P1和极板P2之间的耦合电容C12*，且通过各个极板之间的端口电容值CTij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)推导得出交叉耦合电容Cij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)；S5：根据电路拓扑结构，由等效负载电阻RL、补偿电感L3以及层叠式耦合机构中的交叉耦合电容Cij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)推导得出负载未移出状态下电感L2输出端口的输出阻抗Z4的函数表达式；S6：按照确定接收端补偿电感L3的感抗值，其中系统工作角频率ω＝2πf，Im(Z4)为电感L2输出端口的输出阻抗Z4的虚部；S7：按照Re(Z4)＝NRx确定电感L2和耦合电容C12*的等效串联电阻之和Rx，Re(Z4)为电感L2输出端口的输出阻抗Z4的实部；S8：根据电感L2和耦合电容C12*的等效串联电阻之和Rx确定电感L2的感抗值；S9：按照谐振条件确定电感L1的电感值和电容C1的电容值；S10：判断是否满足不等式约束条件：Zin＞NηUp2/Pout，如果满足，则确定最终的系统参数，如果不满足，则调整常数N的大小，并返回步骤S4重新设计，其中：Zin为电感L1输入端的输入阻抗；η为传输效率，Pout为系统所需的输出功率，Up为输入电压基波分量有效值。可选地，在步骤S3中设定常数N时，若定义待机模式下的输入功率小于系统带负载工作状态下输出功率的x％，则可选地，根据经验设定系统工作频率f时，其范围选择在(500kHz，1.5MHz)之间。可选地，根据经验补偿电感L3的范围选择在(10μH，100μH)之间。可选地，步骤S7中等效串联电阻之和Rx＝R2+R12*，其中R2＝ωL2/QL表示电感L2的等效串联电阻，表示耦合电容C12*的等效串联电阻。本专利技术的显著效果是：本专利技术基于层叠式耦合机构的EC-WPT系统为研究对象，提出了一种发射端采用LCL补偿、接收端采用单电感补偿的拓扑，通过对负载移出前后的两种模态进行参数设计，保证了此系统在负载移入后可为负载提供所需功率，在负载移除后保持在低输入功率状态(待机模式)，并且在移入和移除的过程中不会对逆变器开关管造成电压和电流过冲。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1为本专利技术具体实施例中带凹槽的层叠式耦合机构截面图；图2为本专利技术具体实施例中层叠式耦合机构的EC-WPT系统原理图；图3为图1中层叠式耦合结构中各个极板之间的端口电容分布图；图4为图1中层叠式耦合结构的交叉电容耦合模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于层叠式耦合机构的负载自适应EC‑WPT系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端和所述接收端之间采用P1、P2、P3、P4四块极板构成的层叠式耦合机构作为能量传输通道，极板P1和极板P2位于发射端，极板P3和极板P4位于接收端，且层叠式耦合机构中发射端和接收端的结构相互对称，在所述发射端还设置有直流电源、高频逆变电路以及电感L1、电容C1和电感L2构成的T型LCL补偿网络，在接收端还设置有补偿电感L3、整流滤波电路以及等效负载电阻。

【技术特征摘要】
1.一种基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端和所述接收端之间采用P1、P2、P3、P4四块极板构成的层叠式耦合机构作为能量传输通道，极板P1和极板P2位于发射端，极板P3和极板P4位于接收端，且层叠式耦合机构中发射端和接收端的结构相互对称，在所述发射端还设置有直流电源、高频逆变电路以及电感L1、电容C1和电感L2构成的T型LCL补偿网络，在接收端还设置有补偿电感L3、整流滤波电路以及等效负载电阻。2.根据权利要求1所述的基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统，其特征在于：所述层叠式耦合机构采用带凹槽的层叠式耦合机构，四块极板层叠放置，内侧极板嵌入外侧极板中，内、外侧极板之间填充有绝缘介质材料。3.如权利要求1所述的基于层叠式耦合机构的负载自适应EC-WPT系统的参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：根据应用场合确定层叠式耦合机构中各个极板的尺寸大小和空间位置，同时确定等效负载电阻RL和系统工作频率f；S2：根据所需的功率大小给定系统输入电压初值E；S3：根据所需的待机模式下ECPT系统输入功率指标要求设定常数N；S4：通过电桥测量得到电感品质因数QL、电容介质损耗角层叠式耦合机构中各个极板之间的端口电容值CTij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)以及接收端移除后极板P1和极板P2之间的耦合电容C12*，且通过各个极板之间的端口电容值CTij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)推导得出交叉耦合电容Cij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)；S5：根据电路拓扑结构，由等效负载电阻RL、补偿电感L3以及层叠式耦合...

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