抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统及其参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种抗偏移的CLC‑S型无线电能传输系统及其参数设计方法，包括全桥逆变模块、LC滤波模块、原边CLC补偿网络、传输线圈、副边补偿网络和负载；全桥逆变模块可以产生高频的交流方波，为系统提供电能输入；LC滤波模块分别与全桥逆变模块和原边CLC补偿网络相连，滤除输入方波中除基频分量以外的谐波分量；原边CLC补偿网络与传输线圈中的原边线圈相连，通过适当的方法对原边CLC补偿网络进行元件参数设计，可以实现无线电能传输系统在较宽的耦合系数范围内保持系统输出功率的相对稳定。而副边补偿网络则与传输线圈中的副边线圈形成串联谐振，最终将电能输送给负载。本发明专利技术系统可以在较宽的耦合系数范围内实现平稳的功率输出，利于提高抗偏移能力。

Clc-s radio energy transmission system and its parameter design method

【技术实现步骤摘要】
抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统及其参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输的
，尤其是指一种抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统及其参数设计方法。
技术介绍
磁耦合器通常作为无线电能传输系统实现发射端向接收端进行能量传输的载体，在静态充电过程中，发射线圈和接收线圈往往难以实现完全对准。通常情况下，线圈间的偏移量越大，则其耦合系数越小，同时耦合系数的变化会直接导致反射阻抗呈平方倍数地减小，进一步使得无线电能传输系统的输出产生较大的波动。与此同时，相对于静态充电，动态无线充电需要面临着耦合系数快速变化的问题，这一点在分段式充电中体现得较为显著。动态充电过程往往难以利用收发侧通信的手段实现对输出功率的快速调节，因此我们更希望无线电能传输系统能够通过自身的系统参数实现对耦合系数变化的自我调节。为了使无线电能传输系统具有对耦合系数变化的自我调节能力，研究学者在磁耦合器优化、新型拓扑结构以及补偿参数优化等方向提出了许多新的解决方案，以提高耦合系数变化时的失调性能。DD、DDQ等新型磁耦合器可以有效提高磁场的均衡度，在磁耦合器发生物理偏移的情况下，依然保持磁耦合系数的波动在一个可以接受的范围内。不同补偿拓扑在面对耦合系数变化时，其输出特性会表现出不同变化趋势，将S-LCC和LCC-S进行拓扑混合可以控制无线电能传输系统的输出相对恒定。除此之外，通过增设参数合理的额外线圈，同样可以提高系统的失调性能。随着磁耦合器结构进一步的复杂化，其存在重量增加、用铜量增大以及生产困难等问题；而混合拓扑结构和增设额外线圈会使得无线电能传输系统的设计变得更加的复杂，同时也存在磁耦合器设计困难的问题。补偿参数优化在不需要对磁耦合器和系统拓扑结构进行任何改变的情况，通过对补偿网络参数的优化设计即可实现宽耦合系数范围内的输出特性稳定，具有突出的实用价值。通过调节SS拓扑的补偿网络参数，使系统工作在失谐状态，可以将传输功率控制在有效的失配范围内。在合适的补偿参数下，利用SS和PS对耦合系数变化体现出的不同失谐特性，提出了一种新型的SPS拓扑结构，实现25％失调偏移范围内的宽耦合系数调节性能。针对于LCC和T型拓扑，文献提出的补偿参数选取方式在较大的耦合系数范围内实现对无线电能传输系统的稳定输出，但其存在参数设计流程复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统及其参数设计方法，利用两个自由调节变量对CLC补偿网络进行参数优化设计，在耦合系数发生变化导致反射阻抗变化时，通过原边的CLC补偿网络实现对发射线圈电流的自适应调节，进而使得磁耦合器的传输功率在宽耦合系数范围内维持相对稳定。当线圈由于物理偏移造成线圈间的互感发生改变，即线圈间的耦合系数发生改变时，无线电能传输系统依然能够通过补偿网络的自我调节实现输出功率的波动在一个允许的误差范围内，从而解决传统CLC-S型无线电能传输系统在线圈发生偏移时，系统的输出功率波动较大的问题。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统，包括全桥逆变模块、LC滤波模块、原边CLC补偿网络、传输线圈、副边补偿网络和负载；其中，所述全桥逆变模块由直流电压源及由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成的逆变电路组成，所述直流电压源的正极分别与第一开关管和第三开关管连接，所述直流电压源的负极分别与第二开关管和第四开关管连接，所述第一开关管与第二开关管连接，所述第三开关管与第四开关管连接；所述全桥逆变模块的两个输出端产生高频方波交流电，其中一个输出端与LC滤波模块连接，实现对输入方波中除基频分量以外的谐波分量的滤除；所述LC滤波模块的输出端和全桥逆变模块的另一输出端共同构成无线电能传输系统的交流输入，为系统提供工作频率的正弦波交流电；所述原边CLC补偿网络由第一补偿电容、第二补偿电容和补偿电感组成；所述传输线圈由原边线圈和副边线圈组成；所述LC滤波模块的输出端与第一补偿电容连接，所述全桥逆变模块的另一输出端分别与补偿电感和原边线圈连接，所述补偿电感分别与第一补偿电容和第二补偿电容连接，所述第二补偿电容与原边线圈连接；所述原边线圈与副边线圈之间的互感为M，实际过程中任意确定的互感M对应一个确定的耦合系数k，两者满足：其中L2和L3分别是原边线圈和副边线圈的线圈自感值；所述副边线圈与副边补偿网络连接，共同构成串联补偿网络；所述副边补偿网络由第三补偿电容组成；所述负载分别与第三补偿电容和副边线圈相连接。进一步，所述LC滤波模块由串联连接的滤波电感和滤波电容组成，其满足关系：其中Lf为滤波电感的电感值，Cf为滤波电容的电容值，ω为系统角频率，满足ω＝2πfc，fc为全桥逆变模块的工作频率，此时在设定的工作频率fc下发生串联谐振，进而滤除多余的谐波分量，为无线电能传输系统提供正弦波交流电。进一步，在全桥逆变模块的工作频率fc下，所述副边线圈和第三补偿电容组成串联谐振电路，其满足其中L3为副边线圈的自感值，C3为第三补偿电容的电容值，ω为系统角频率，满足ω＝2πfc，副边线圈和第三补偿电容组成的串联谐振电路在工作频率fc下等效阻抗为0。进一步，所述副边线圈、第三补偿电容和负载组成的RLC串联谐振电路的品质因素Q应在5-20范围内，其中其中RL是负载的电阻值，L3为副边线圈的自感值，ω为系统角频率，满足ω＝2πfc。本专利技术也提供了上述抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统的参数设计方法，包括以下步骤：1)将原边线圈和第二补偿电容组成的LC支路看成是串联拓扑，记C2R为原边线圈和第二补偿电容完全谐振时该第二补偿电容的电容值，则其完全谐振时应当有：设定一个调节变量K1，令实际选择的第二补偿电容的电容值C2满足C2＝K1C2R，此时有K1＜1；2)设原边线圈和第二补偿电容组成的LC支路的等效电容的电容值为C5，则有：记L1R为在C1＝0时使得系统等效输入阻抗呈现电阻性的L1的电感值，其中L1为补偿电感的电感值，则此时系统的等效输入阻抗Z＇in表示为：令系统的等效输入阻抗Z＇in的虚部为0，则有：求得设定一个调节变量K2，令实际选择的补偿电感的电感值L1满足L1＝K2L1R，此时有K2＜1；3)记L1、C2、L2以及Zr构成的等效阻抗为ZTPS，其中则有：要使得系统的等效输入阻抗呈现纯电阻特性，则有：此时系统的等效输入阻抗Zin为：4)根据各支路串并联关系得各支路电流为：其中，IC1为第一补偿电容上流过的电流，IL2为原边线圈上流过的电流，IRL为负载上流过的电流；反射阻抗接收到的传输功率Ptran与系统的输出功率Po相等，则有：Po＝Ptran＝|IL1|2Zr5)设定一个最大容许波动范围Δ，其中Pa是实际的输出功率，观察实际的输出功率Pa能否在预期的耦合系数k的区间内，实现与原本设定的输出功率Po的误差小于Δ；若本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统，其特征在于：包括全桥逆变模块(I)、LC滤波模块(II)、原边CLC补偿网络(III)、传输线圈(IV)、副边补偿网络(V)和负载(R

【技术特征摘要】
1.抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统，其特征在于：包括全桥逆变模块(I)、LC滤波模块(II)、原边CLC补偿网络(III)、传输线圈(IV)、副边补偿网络(V)和负载(RL)；其中，所述全桥逆变模块(I)由直流电压源(Udc)及由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)构成的逆变电路组成，所述直流电压源(Udc)的正极分别与第一开关管(S1)和第三开关管(S3)连接，所述直流电压源(Udc)的负极分别与第二开关管(S2)和第四开关管(S4)连接，所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)连接，所述第三开关管(S3)与第四开关管(S4)连接；所述全桥逆变模块(I)的两个输出端产生高频方波交流电，其中一个输出端(1)与LC滤波模块(II)连接，实现对输入方波中除基频分量以外的谐波分量的滤除；所述LC滤波模块(II)的输出端(2)和全桥逆变模块(I)的另一输出端(1＇)共同构成无线电能传输系统的交流输入，为系统提供工作频率的正弦波交流电；所述原边CLC补偿网络(III)由第一补偿电容(C1)、第二补偿电容(C2)和补偿电感(L1)组成；所述传输线圈(IV)由原边线圈(L2)和副边线圈(L3)组成；所述LC滤波模块(II)的输出端(2)与第一补偿电容(C1)连接，所述全桥逆变模块(I)的另一输出端(1＇)分别与补偿电感(L1)和原边线圈(L2)连接，所述补偿电感(L1)分别与第一补偿电容(C1)和第二补偿电容(C2)连接，所述第二补偿电容(C2)与原边线圈(L2)连接；所述原边线圈(L2)与副边线圈(L3)之间的互感为M，实际过程中任意确定的互感M对应一个确定的耦合系数k，两者满足：其中L2和L3分别是原边线圈(L2)和副边线圈(L3)的线圈自感值；所述副边线圈(L3)与副边补偿网络(V)连接，共同构成串联补偿网络；所述副边补偿网络(V)由第三补偿电容(C3)组成；所述负载(RL)分别与第三补偿电容(C3)和副边线圈(L3)相连接。


2.根据权利要求1所述的抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统，其特征在于：所述LC滤波模块(II)由串联连接的滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)组成，其满足关系：其中Lf为滤波电感(Lf)的电感值，Cf为滤波电容(Cf)的电容值，ω为系统角频率，满足ω＝2πfc，fc为全桥逆变模块(I)的工作频率，此时在设定的工作频率fc下发生串联谐振，进而滤除多余的谐波分量，为无线电能传输系统提供正弦波交流电。


3.根据权利要求1所述的抗偏移的CLC-S型无线电能传输系统，其特征在于：在全桥逆变模块(I)的工作频率fc下，所述副边线圈(L3)和第三补偿电容(C3)组成串联谐振电路，其满足其中L3为副边线圈(L3)的自感值，C3为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜贵平，沈栋，曾炜，李俊杰，杨子江，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44