基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络及参数确定方法技术

本发明专利技术针对三线圈的无线电能传输系统，提出一种含中继线圈的三线圈磁耦合系统的补偿网络结构及参数确定方法，该方法将中继线圈内阻引入到模型中，加以分析，得到一种不受中继线圈上补偿电容及内阻影响的恒流输出补偿网络结构与参数的确定方法，同时也消除三线圈系统中的交叉耦合问题，使系统完全补偿，从而获得良好的输出特性，并且具有抗失谐能力。

Constant current output radio energy compensation network and parameter determination method based on relay coil

【技术实现步骤摘要】
基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络及参数确定方法
本专利技术涉及无线电能传输领域，具体涉及一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络及参数确定方法。
技术介绍
随着电动汽车产业的快速发展，人们对充电系统的安全性、便捷性提出了更高的要求。因此，电动汽车的非接触式充电系统也得到了越来越广泛的应用。当传输距离增加，无线电能传输系统的传输效率迅速下降。为解决这一问题，在发射线圈与接收线圈中间插入中继线圈是增大无线能量传输距离的简单易行、经济实惠的有效途径。中继线圈的引入给长距离的无线电能传输提供了可能性，但较传统的两线圈无线电能传输，不仅存在交叉耦合问题，还增加了中继线圈谐振环节，使得分析困难且难以对其进行设计。目前，现有的补偿方式是控制各线圈自感与补偿电容的谐振频率一致，来提高系统的能量传输能力。但这样的补偿方式，并没有考虑多个线圈之间存在的交叉耦合问题，无法完全补偿系统的内电抗；其次，应用中含中继线圈的磁耦合系统存在三个谐振频率，相比于不含中继线圈的两线圈系统更容易出现补偿网络失谐问题；再者，在中继线圈上，线圈自感与补偿电容串联谐振，这使得中继线圈上的电流很大，为减少中继线圈对系统输出的影响，必须采用高Q值的线圈电感，反之，如果中继线圈上的电阻较大时，将会影响系统输出特性与输出效率。针对含中继线圈的无线电能传输系统存在的交叉耦合，失谐等问题，就系统输出特性展开研究。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络及参数确定方法，解决含中继线圈的无线电能传输系统存在的交叉耦合，失谐等问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin、发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路电阻Rr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，接收线圈并联补偿电容CP和负载RL。一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次连接形成回路的电流源Iin和发射线圈L1，还包括并联于电流源Iin两端的发射线圈回路补偿电容CP1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路电阻Rr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，接收线圈并联补偿电容CP2和负载RL。基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络的参数确定方法，包括以下步骤：步骤A1:将三线圈互感模型等效为变压器T模型；步骤A2：进行戴维南等效和等效源变换，得到负载前的阻抗完全补偿，等效源Isc直接加在负载两端，实现恒流输出：其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，M1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，Mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，CS为发射线圈串联补偿电容，CP为接收线圈并联补偿电容，Cr为中继线圈串联补偿电路，可选取为任意值，ISC为等效源变换的等效电流源，IRL为负载上输出电流。基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络的参数确定方法，包括以下步骤：步骤B1:将三线圈互感模型等效为变压器T模型；步骤B2：进行戴维南等效和等效源变换，得到负载前的阻抗完全补偿，等效源Isc直接加在负载两端，实现恒流输出：其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，M1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，Mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，CP1为发射线圈并联补偿电容，CP2为接收线圈并联补偿电容，Cr为中继线圈串联补偿电路，可选取为任意值，UOC为戴维南等效的开路电压，Xeq为戴维南等效阻抗，ISC为等效源变换的等效电流源，IRL为负载上输出电流。进一步的，若所求电容值出现负值时，则用电感补偿，补偿电感值与负的补偿电容值的关系如下式所示：本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术将中继线圈内阻引入到模型中，加以分析，得到一种不受中继线圈上补偿电容及内阻影响的恒流输出补偿网络结构与参数的确定方法，同时也消除三线圈系统中的交叉耦合问题，使系统完全补偿，从而获得良好的输出特性，并且具有抗失谐能力。附图说明图1是本专利技术一实施例中三线圈互感模型；图2是本专利技术一实施例中变压器T模型；图3是本专利技术一实施例中复数电感等效模型；图4是本专利技术一实施例中互感模型等效为变压器T模型；图5是本专利技术一实施例中戴维南等效图1；图6是本专利技术一实施例中等效源变换图1；图7是本专利技术一实施例中戴维南等效图2；图8是本专利技术一实施例中等效源变换图2；图9是本专利技术一实施例中SSP型的补偿拓扑；图10是本专利技术一实施例中SP型的补偿拓扑；图11是本专利技术一实施例中PSP型的补偿拓扑；图12是本专利技术一实施例中PP型补偿拓扑；图13是本专利技术一实施例中负载电流幅值与理论值相符；图14是本专利技术一实施例中变负载，输出电流增益基本不变；图15是本专利技术一实施例中中继线圈谐振电容偏移时，输出电流增益基本不变图16是本专利技术一实施例中不使用中继线圈谐振电容时，输出电流值与理论值相符；图17是本专利技术一实施例中不使用中继线圈补偿电容时，变负载输出电压增益基本不变；图18是本专利技术一实施例中负载电流幅值与理论值相符；图19是本专利技术一实施例中变负载，输出电流增益基本不变；图20是本专利技术一实施例中中继线圈谐振电容偏移时，输出电流增益基本不变；图21是本专利技术一实施例中不使用中继线圈谐振电容时，输出电流值与理论值相符；图22是本专利技术一实施例中不使用中继线圈补偿电容时，变负载输出电压增益基本不变。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。本实施例中，基于二端口特性，将原有三线圈多级、复杂的互感模型等效为简单明了的变压器T模型，其等效电路模型如图2所示；等效后的变压器T模型，将作为中转站的中继线圈“消除”，并将各线圈的耦合关系和中继线圈上内阻融入到变压器T模型中的Lpk，Lsk，Lm，n中。根据KVL，列出各回路电压方程：其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，M1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，Mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M12为发射线圈与接收线圈之间的互感，Cr为中继线圈回路补偿电容，Rr为中继线圈上内阻，ω为系统工作角频率，不同于ω0；同样得出矩阵表达式：Lpk与Lsk分别为变压器T模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器T模型的等效变比，该变比不同于变压器的匝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络，其特征在于，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源U

【技术特征摘要】
1.一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络，其特征在于，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次串联连接形成回路的电压源Uin、发射线圈回路补偿电容CS和发射线圈L1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路电阻Rr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，接收线圈并联补偿电容CP和负载RL。


2.一种基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络，其特征在于，包括发射线圈电路、中继线圈电路和接收线圈电路；所述发射线圈电路包括依次连接形成回路的电流源Iin和发射线圈L1，还包括并联于电流源Iin两端的发射线圈回路补偿电容CP1；所述中继线圈电路包括串联连接的中继线圈Lr和中继线圈回路电阻Rr；所述接收线圈电路包括并联连接的接收线圈L2，接收线圈并联补偿电容CP2和负载RL。


3.根据权利要求1所述的基于中继线圈恒流输出无线电能补偿网络的参数确定方法，特征在于，包括以下步骤：
步骤A1:将三线圈互感模型等效为变压器T模型；
步骤A2：进行戴维南等效和等效源变换，得到负载前的阻抗完全补偿，等效源Isc直接加在负载两端，实现恒流输出：



其中L1，Lr，L2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆彬，杨丰钢，陈为，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35