一种具有紧凑接收端的无线电能传输补偿拓扑结构及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有紧凑型接收端的无线电能传输补偿拓扑结构，包括直流电源、逆变电路、原边补偿电路、发射接收线圈，整流滤波电路和负载。其中，原边补偿电路与逆变电路交流侧连接并且存在两条分支：一条支路为并联补偿电感，另一条支路为发射线圈与原边补偿电容的串联；副边接收线圈直接与整流电路交流侧两端相连。通过参数设计，该补偿拓扑结构可以实现负载无关的恒流输出，消除输入侧无功功率，实现逆变器的零电压开通。该补偿拓扑副边仅包含必要的接收线圈和整流滤波电路，且接收线圈感量和匝数可以设计为很小，从而大大降低接收端的成本、体积和重量，形成紧凑型接收端，因此具有现实意义和良好的应用前景。有现实意义和良好的应用前景。有现实意义和良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有紧凑接收端的无线电能传输补偿拓扑结构及系统


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种具有紧凑型接收端的无线电能传输补偿拓扑结构。

技术介绍

[0002]无线电能传输技术可以无接触的传递能量。与传统插电式充电技术对比，无线电能传输技术具有安全可靠，低人工维护，不惧恶劣天气，操作方便等优势。感应式无线电能传输技术依托松耦合变压器发射接收线圈之间的电磁感应传输能量。为了补偿松耦合变压器较大的漏感，通常需要在原副边各加入无源补偿电路，从而减小电路输入侧的无功功率，提高效率。
[0003]目前已经存在的补偿电路主要有S/S(串/串)、S/P(串/并)、P/S(并/串)、P/P(并/并)四种基本补偿拓扑，以及SP/S、S/SP、LCL、LCC、CLC等高阶补偿拓扑。四种基本补偿结构在传统设计方法下可以提供负载无关的电压增益或者电流跨导，且输入侧无功功率几乎被完全消除。
[0004]高阶补偿结构如SP/S结合了S/S和P/S的特点，构造了输出功率对线圈偏移不敏感的特性。LCL补偿用在原边可以提供负载无关的发射线圈电流，并且谐振条件不受线圈偏移影响。LCC补偿改进了LCL补偿，在继承了电路特性的同时减小了补偿电感的大小。CLC补偿和其他高阶补偿具有更多设计自由度，可以被用于电池恒压恒流充电场合或者被用于解决线圈偏移带来的输出波动问题。
[0005]在现有的补偿结构中，补偿电路结构设计没有充分的考虑副边接收端的紧凑性和功率密度。接收端除了必要的接收线圈之外还配置了补偿电容和电感等，这使得接收端功率密度存在很大的优化空间。在无线电能传输系统的实际应用中，由于以下两点特征，系统接收端的紧凑性和功率密度非常重要：
[0006]1.在实际应用场合中，往往只设置少量能量发送装置，而具有大量能量接收终端。例如智能移动设备无线充电、电动汽车无线充电、无人机无线充电、和电动自行车无线充电等场景。在这些应用场景中，往往一个充电桩或者充电板，要在不同时间段为大量电动汽车或者不同智能移动设备充电。
[0007]2.能量接收终端多是移动的物体，而能量发射端一般处于固定位置。因此，对于接收端的成本、体积、重量限制更为严格。综上，副边接收侧的紧凑性尤其重要。
[0008]针对以上两点问题，在IEEETransactionsonPower Electronics期刊发表的“Modelingand analysis of series
‑
none compensation for wireless power transfersystems with a strong coupling”(vol.34,no.2,pp.1209
–
1215,Feb.2019)和“A high
‑
power wirelesscharging systemusing LCL
‑
N topology to achieve acompact and lowcostreceiver”(vol.35,no.1,pp.131
‑
137,Jan.2020)两文中分别介绍了S/N补偿结构和LCL/N补偿结构。两个补偿的副边都尽可能的实现了紧凑的接收端，接收端只存在整流桥和接收线圈。但是S/N补偿仅具有负载无关的恒压输出特性，不适用于以电池为负载的
充电场合。并且其输入侧存在较大感性相角，逆变器功率因数较低。对于LCL
‑
N补偿，其既不具有负载无关的恒压或者恒流输出特性，也无法实现逆变器的零相角与单位功率因数。目前在IPT技术的大多数应用中，负载采用电池负载，因此负载无关的恒流输出为必要的特性。逆变器的零相角和单位功率因数的实现则能尽可能的降低器件的应力和损耗，从而提高能量传输效率。
[0009]总之，针对现今无线电能传输领域的实际应用情况，目前常规的补偿电路设计没有充分的考虑副边接收侧的紧凑性和功率密度。已有的考虑副边接收侧紧凑性的技术方法无法实现逆变器零相角和单位功率因数，也没有为电池负载设计负载无关的恒流输出特性。

技术实现思路

[0010]鉴于上述情况，本专利技术的目的在于提出一种接收端非常紧凑的无线电能传输补偿拓扑结构。本专利技术的接收端仅仅包含必要的接收线圈和整流滤波电路，并且接收线圈可以尽可能的设计为小感量和小匝数，进一步降低接收端的重量、体积、和成本。此外，该补偿还具有负载无关的恒流输出能力、可以消除输入侧无功功率、并且自然的实现逆变器零电压开通。
[0011]为实现前述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0012]一种具有紧凑型接收端的无线电能传输补偿拓扑结构，包括：直流电源、逆变电路、原边并联补偿电感L1、原边串联补偿电容C
p
、原边发射线圈L
p
、副边接收线圈L
s
、整流滤波电路及负载；
[0013]所述逆变电路的直流侧与直流电源连接，用以将直流电源的输出直流电转化为高频交流电，逆变电路的交流侧两端与原边并联补偿电感L1两端连接；
[0014]所述原边串联补偿电容C
p
一端与原边并联补偿电感L1的一端连接，原边串联补偿电容C
p
的另一端与原边发射线圈L
p
的一端连接，原边发射线圈L
p
的另一端与原边并联补偿电感L1的另一端连接；
[0015]所述原边发射线圈L
p
和副边接收线圈L
s
之间通过电磁耦合传递能量，副边接收线圈L
s
两端直接与整流电路交流侧两端相接，整流电路直流侧两端经过输出滤波与负载两端连接。
[0016]本专利技术从补偿电路设计的角度，从以下两个方面来实现紧凑型接收端：
[0017]1.从电路结构上：尽量减少副边接受侧补偿电路的元件数量，只保留必要的接收线圈。
[0018]2.从参数设计上：尽可能的设计小感量接收线圈，从而减小接收线圈的大小、体积和重量。
[0019]进一步的，所述逆变电路采用半桥逆变结构、全桥逆变结构或推挽式逆变结构等逆变结构。
[0020]进一步的，所述原边发射线圈部分或者副边接收线圈部分由磁芯和导线绕制的传能线圈组成，所述磁芯使用导磁材料。
[0021]进一步的，所述原边并联补偿电感L1、原边串联补偿电容C
p
、原边发射线圈L
p
、副边接收线圈L
s
、以及耦合线圈互感M的参数设计满足如下谐振条件：
[0022]条件1：
[0023]条件2：L1L
s
＝M2；
[0024]其中，ω为逆变器开关角频率。
[0025]进一步的，所述原边并联补偿电感L1可以在参数设计完成后进一步微调，从而在不改变功率特性的情况下产生略微感性或容性的输入阻抗角。
[0026]进一步的，所述原边并联补偿电感L1所在的并联支路上可以串联隔直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有紧凑型接收端的无线电能传输补偿拓扑结构，其特征在于，包括：直流电源、逆变电路、原边并联补偿电感L1、原边串联补偿电容C
p
、原边发射线圈L
p
、副边接收线圈L
s
、整流滤波电路及负载；所述逆变电路的直流侧与直流电源连接，用以将直流电源的输出直流电转化为高频交流电，逆变电路的交流侧两端与原边并联补偿电感L1两端连接；所述原边串联补偿电容C
p
一端与原边并联补偿电感L1的一端连接，原边串联补偿电容C
p
的另一端与原边发射线圈L
p
的一端连接，原边发射线圈L
p
的另一端与原边并联补偿电感L1的另一端连接；所述原边发射线圈L
p
和副边接收线圈L
s
之间通过电磁耦合传递能量，副边接收线圈L
s
两端直接与整流电路交流侧两端相接，整流电路直流侧两端经过输出滤波与负载两端连接。2.根据权利要求1所述的无线电能传输补偿拓扑结构，其特征在于：所述逆变电路采用半桥逆变结构、全桥逆变结构或推挽式逆变结构。3.根据权利要求1所述的无线电能传输补偿拓扑结构，其特征在于：所述原...

【专利技术属性】
技术研发人员：马皓，罗时英，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：