一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC-WPT系统技术方案

本发明专利技术涉及电场耦合式无线电能传输(EC

【技术实现步骤摘要】
一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统


[0001]本专利技术涉及电场耦合式无线电能传输(Electric
‑
field Coupled Wireless Power Transfer,EC
‑
WPT)
，尤其涉及一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)，指的是综合应用电力电子和控制等相关理论与技术，实现电能从电网或电池通过某种载体(如电场、磁场、微波、激光等)以非电气接触模式传输给用电设备。根据传输机理的不同，可分为磁耦合式无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC
‑
WPT)、电场耦合式无线电能传输(Electric
‑
field Coupled Wireless Power Transfer,EC
‑
WPT)、微波式无线电能传输(Microwave Power Transfer,MPT)、激光式无线电能传输(Laser Power Transfer,LPT)等几种。其中，EC
‑
WPT系统的具有以下优点：耦合机构简易轻薄、形状易变并且整体的成本低；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，导体产生涡流损耗较小等。因此，EC
‑
WPT技术引起了国内外专家的广泛关注。
[0003]在EC
‑
WPT技术的应用中，大多数无线供电设备工作时，例如电动汽车，要求系统工作时输出电流恒定以保证其工作性能和安全性。然而，用电设备在充电过程中，其移动会引起耦合机构发生偏移或传输距离改变，从而影响耦合机构的耦合电容的大小；除此之外，用电设备的负载大小在工作过程中也不是恒定不变的。此需要EC
‑
WPT系统的输出电流在耦合电容和负载变化时不发生明显的变化。
[0004]针对上述要求，文献[1]基于双边LC谐振网络，提出了可以使系统实现恒流输出的参数设计方法；文献[2]提出了一种F
‑
T谐振网络，系统通过合理的参数配置，使系统具有恒流输出特性。文献[3]基于LC
‑
LCLC谐振网络，提出了一种可以实现恒流输出的参数设计方法。上述文献中所提出的方法只能保证在负载变化的情况实现恒流输出，当耦合机构发生偏移时，会严重影响其恒流输出特性。
[0005][1]Lian J,Qu X.Design of a Double
‑
Sided LC Compensated Capacitive Power Transfer System With Capacitor Voltage Stress Optimization[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,2020,67(4):715
‑
719.
[0006][2]苏玉刚,谢诗云,王智慧,等.基于F
‑
F/T变结构谐振网络的恒压
‑
恒流型电场耦合电能传输系统[J].电工技术学报,2019,34(06):1127
‑
1136.
[0007][3]廖志娟,周磊,吴镇,魏国玉,夏晨阳.变结构LC
‑
CLCL拓扑恒压恒流型电场耦合电能传输系统[J].中国电机工程学报,2021,41(17):6039
‑
6050.

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统，解决的技术
问题在于：现有方法可以保证在负载变化的情况实现EC
‑
WPT系统的恒流输出，而当耦合机构发生偏移时，无法兼顾其恒流输出特性以及高功率因数。
[0009]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统，包括直流源、逆变器、原边谐振网络、耦合机构、副边谐振网络、整流滤波电路和负载等效电阻R
L
，所述耦合机构包括相对的发射极板P1和接收极板P3以及相对的发射极板P2和接收极板P4，所述原边谐振网络采用由电感L1、电容C1组成的LC谐振网络，所述副边谐振网络采用由电容C2、电感L2与电感L3组成的П型谐振网络，电感L2连接在电容C2与电感L3之间；
[0010]电感L1、电容C1、电容C2、电感L2与电感L3满足：
[0011]ω2L1C1＝1，ω2C2(L2+L3)＝1，
[0012]在忽略电感内阻和电容的等效串联电阻的情况下，分别代表电感L1和电容C1的阻抗，分别代表电容C2、电感L2和电感L3的阻抗，ω代表系统的工作角频率。
[0013]具体的，假设C1＝αC
s
，C2＝βC
s
，L2＝γL3，α表示电容C1与等效电容C
s
之间的比例系数，β表示电容C2与等效电容C
s
之间的比例系数，γ表示电感L2与电感L3之间的比例系数，则比例系数α、β、γ满足(β
‑
γ)α+β＝0。
[0014]具体的，系统的参数设计流程包括如下步骤：
[0015]S1、根据工程经验设定系统的工作频率；
[0016]S2、根据实际要求确定系统输入电压E
dc
与系统输出电流I
L
的设定值，以及根据耦合机构确定耦合机构的等效电容C
s
的大小；
[0017]S3、根据E
dc
、I
L
以及确定α与γ的关系，u
in
表示所述逆变器的瞬时输出电压，表示所述П型谐振网络的输出电流向量，I
o
表示的有效值，表示所述逆变器的输出电压向量，t表示时间；
[0018]S4、根据(β
‑
γ)α+β＝0以及分析等效电容C
s
、α与系统的输入阻抗角之间的关系，C
s
'＝C
s
+ΔC代表所述耦合机构发生偏移时的等效电容，ΔC代表耦合电容偏移量，此时α变为β变成整流滤波器和负载等效电阻R
L
等效成电阻R
eq
；
[0019]S5、根据输入阻抗角的需求取α的值；
[0020]S6、得出一组满足条件的L1、C1、C2、L2和L3的参数值。
[0021]具体的，C
s
＝C
s1
C
s2
/(C
s1
+C
s2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统，包括直流源、逆变器、原边谐振网络、耦合机构、副边谐振网络、整流滤波电路和负载等效电阻R
L
，所述耦合机构包括相对的发射极板P1和接收极板P3以及相对的发射极板P2和接收极板P4，其特征在于：所述原边谐振网络采用由电感L1、电容C1组成的LC谐振网络，所述副边谐振网络采用由电容C2、电感L2与电感L3组成的П型谐振网络，电感L2连接在电容C2与电感L3之间；电感L1、电容C1、电容C2、电感L2与电感L3满足：ω2L1C1＝1，ω2C2(L2+L3)＝1，在忽略电感内阻和电容的等效串联电阻的情况下，分别代表电感L1和电容C1的阻抗，分别代表电容C2、电感L2和电感L3的阻抗，ω代表系统的工作角频率。2.根据权利要求1所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统，其特征在于，假设C1＝αC
s
，C2＝βC
s
，L2＝γL3，α表示电容C1与等效电容C
s
之间的比例系数，β表示电容C2与等效电容C
s
之间的比例系数，γ表示电感L2与电感L3之间的比例系数，则比例系数α、β、γ满足(β
‑
γ)α+β＝0。3.根据权利要求2所述的一种抗耦合机构偏移的具有恒流输出特性的EC
‑
WPT系统，其特征在于，系统的参数设计流程包括如下步骤：S1、根据工程经验设定系统的工作频率；S2、根据实际要求确定系统输入电压E
dc
与系统输出电流I
L
的设定值，以及根据耦合机构确定耦合机构的等效电容C
s
的大小；S3、根据E
dc
、I
L
以及确定α与γ的关系，u
in
表示所述逆变器的瞬时输出电压，表示所述П型谐振网络的输出电流向...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，刘书柏杨，胡宏晟，孙跃，戴欣，王智慧，唐春森，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：