一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑制造技术

本发明专利技术公开了一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，包括发射端电路、松耦合变压器和接收端电路；发射端电路能将输入直流电转换为特定频率的交流电，补偿松耦合变压器产生的无功；松耦合变压器能产生特定频率的交变磁场，将发射端电路中的电能以磁场的方式传输到接收端电路；接收端电路能补偿松耦合变压器产生的无功，将交流电转换为直流电，为负载提供电能并根据负载变化实现所需的恒流恒压输出特性并进行恒流恒压自动平滑切换。本发明专利技术提供的ICPT谐振拓扑无需闭环控制和原副边通信，并解决了传统ICPT系统实现复杂、成本高、体积大和可靠性差的问题。体积大和可靠性差的问题。体积大和可靠性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑


[0001]本专利技术涉及磁耦合无线电能传输
，具体涉及一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑。

技术介绍

[0002]感应耦合式(Inductive Coupled Power Transfer,ICPT)无线电能传输技术是一种基于近场磁感应原理的无线功率传输技术。因其发射端、接收端分立，能够解决传统电能供给方式带来的接插件易损坏、老化、电火花等问题，具有使用安全、方便、维护成本低、适用于恶劣环境的特点。在电动汽车、水下装备、消费电子、以及特种装备等领域应用广泛，优势明显。
[0003]当前，ICPT实现恒压恒流输出及相应的模式切换的方式主要为基于频率调制或移相调制的恒流恒压双环控制、级联DC/DC变换器以及复合拓扑的方式。基于频率调制或移相调制的恒流恒压双环控制不但控制电路复杂，而且频率或移相角变化范围较宽，软开关范围受限，转换效率降低。更严重的是对于诸如LCC
‑
S、LCC
‑
LCC等高阶补偿网络，由于其具有两个输入零相角(Zero Phase Angle,ZPA)和负载无关的恒流点以及一个ZPA和负载无关的恒压点，但是采用频率调制或移相调制的双环控制难以实现恒流恒压的平滑的切换，只能采用频率切换的方式，降低了系统的可靠性和实用性。级联DC/DC变换器的方式通过额外引入DC/DC变换器来实现负载所需要的恒流恒压充电特性。然而，系统的功率经过了两次传输，整体效率是两级效率的乘积，大大降低了ICPT系统的转换效率。复合拓扑的方式即以多线圈复合结构、基于开关切换的混合补偿、变补偿参数等为代表的恒流恒压实现方式，该方式使得ICPT系统可以在同一个工作频率下能够实现恒流和恒压的输出。然而，多线圈复合结构通常采用解耦的两对松耦合变压器和与之匹配的两组特性不同的补偿网络，不但增加了ICPT的体积和成本，而且降低了元器件的利用率；基于开关切换的混合补偿方案则需要根据负载的充电状态，用交流开关进行补偿网络的切换，在实际运行中不但会带来较大的电流电压尖峰，而且影响系统的稳定性；变补偿参数的方式同样需要采用开关或者外加激励的方式来改变补偿网络中电感或电容参数，进而达到期望的恒流和恒压输出特性，不但实现复杂，而且可靠性差，甚至违背了简化ICPT电路、提高可靠性的初衷。
[0004]另外，为解决LCC
‑
S、LCC
‑
LCC等高阶拓扑补偿参数容差导致ZPA以及软开关失去的问题，王震坡等提出对耦合结构和补偿网络参数进行优化的方法以保证补偿的ZPA以及软开关，但其恒流恒压输出仍然需要通过采样输出电压电流信息并通过频率调制或移相调制的双环控制来实现，增加了系统成本并且降低了系统可靠性。
[0005]综上所述，现有的恒流—恒压特性实现方式虽然能够获得期望的恒流—恒压输出特性，但是现目前的拓扑结构需要闭环控制和原副边通信，并存在实现复杂、成本高、体积大和可靠性差的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，解决了恒流恒压ICPT谐振拓扑中需闭环控制、原副边通信、实现复杂、成本高、体积大和可靠性差的问题。
[0007]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，包括发射端电路、松耦合变压器和接收端电路；
[0009]所述发射端电路的第一输入端口和第二输入端口分别连接直流输入电源的两端，发射端电路的第一输出端口连接松耦合变压器的第一端口，发射端电路的第二输出端口连接松耦合变压器的第二端口；发射端电路用于接收输入的直流电，将输入的直流电转换为特定频率的交流电，与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路将特定频率的交流电传输至松耦合变压器，并补偿松耦合变压器产生的无功；
[0010]所述松耦合变压器的第一端口连接发射端电路的第一输出端口，松耦合变压器的第二端口连接发射端电路的第二输出端口，松耦合变压器的第三端口连接接收端电路的第一输入端口，松耦合变压器的第四端口连接接收端电路的第二中点端口；松耦合变压器用于接收发射端传输的特定频率的交流电，产生特定频率的交变磁场，并通过特定频率的交变磁场将发射端电路中特定频率的交流电以磁场的方式传输至接收端电路；
[0011]所述接收端电路的第一输入端口连接松耦合变压器的第三端口，接收端电路的第二中点端口连接松耦合变压器的第四端口，接收端电路的第一输出端口和第二输出端口分别连接负载的两端；接收端电路用于与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路接收松耦合变压器传输的特定频率的交流电，补偿松耦合变压器产生的无功，并将特定频率的交流电转换为直流电，为负载提供电能并根据负载电压变化进行恒流恒压自动平滑切换。
[0012]进一步地，所述发射端电路包括高频逆变单元和一次侧T型补偿单元；
[0013]所述高频逆变单元的第一输入端口和第二输入端口分别连接直流输入电源的两端，高频逆变单元的第一输出端口连接一次侧T型补偿单元的第一输入端口，高频逆变单元的第二输出端口连接一次侧T型补偿单元的第二输入端口；高频逆变单元用于接收输入的直流电，将输入的直流电斩波成特定频率的交流电，并将特定频率的交流电输入至一次侧T型补偿单元；
[0014]所述一次侧T型补偿单元的第一输入端口连接高频逆变单元的第一输出端口，一次侧T型补偿单元的第一输入端口连接高频逆变单元的第二输出端口，一次侧T型补偿单元的第一输出端口连接松耦合变压器的第一端口，一次侧T型补偿单元的第二输出端口连接松耦合变压器的第二端口；一次侧T型补偿单元用于接收高频逆变单元传输的特定频率的交流电，与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路将特定频率的交流电传输至松耦合变压器，并补偿松耦合变压器产生的无功。
[0015]进一步地，所述一次侧T型补偿单元包括电容C
P1
、电感L
f1
和电容C
P2
；
[0016]所述电容C
P1
的一端连接高频逆变单元的第一输出端口，电容C
P1
的另一端同时连接电感L
f1
的一端和电容C
P2
的一端；
[0017]所述电感L
f1
的另一端同时连接高频逆变单元的第二输出端口和松耦合变压器的第二端口；
[0018]所述电容C
P2
的另一端连接松耦合变压器的第一端口。
[0019]进一步地，根据恒压阶段的充电电压和设定的拓扑工作角频率确定一次侧T型补偿单元的参数，表示为：
[0020][0021][0022][0023]其中：V
0_CV
为恒压阶段的充电电压，M为松耦合变压器原边线圈和副边线圈间的互感，V
in
为直流输入电源的电压值，ω
r
为设定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，其特征在于，包括发射端电路、松耦合变压器和接收端电路；所述发射端电路的第一输入端口和第二输入端口分别连接直流输入电源的两端，发射端电路的第一输出端口连接松耦合变压器的第一端口，发射端电路的第二输出端口连接松耦合变压器的第二端口；发射端电路用于接收输入的直流电，将输入的直流电转换为特定频率的交流电，与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路将特定频率的交流电传输至松耦合变压器，并补偿松耦合变压器产生的无功；所述松耦合变压器的第一端口连接发射端电路的第一输出端口，松耦合变压器的第二端口连接发射端电路的第二输出端口，松耦合变压器的第三端口连接接收端电路的第一输入端口，松耦合变压器的第四端口连接接收端电路的第二中点端口；松耦合变压器用于接收发射端传输的特定频率的交流电，产生特定频率的交变磁场，并通过特定频率的交变磁场将发射端电路中特定频率的交流电以磁场的方式传输至接收端电路；所述接收端电路的第一输入端口连接松耦合变压器的第三端口，接收端电路的第二中点端口连接松耦合变压器的第四端口，接收端电路的第一输出端口和第二输出端口分别连接负载的两端；接收端电路用于与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路接收松耦合变压器传输的特定频率的交流电，补偿松耦合变压器产生的无功，并将特定频率的交流电转换为直流电，为负载提供电能并根据负载电压变化进行恒流恒压自动平滑切换。2.根据权利要求1所述的一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，其特征在于，所述发射端电路包括高频逆变单元和一次侧T型补偿单元；所述高频逆变单元的第一输入端口和第二输入端口分别连接直流输入电源的两端，高频逆变单元的第一输出端口连接一次侧T型补偿单元的第一输入端口，高频逆变单元的第二输出端口连接一次侧T型补偿单元的第二输入端口；高频逆变单元用于接收输入的直流电，将输入的直流电斩波成特定频率的交流电，并将特定频率的交流电输入至一次侧T型补偿单元；所述一次侧T型补偿单元的第一输入端口连接高频逆变单元的第一输出端口，一次侧T型补偿单元的第一输入端口连接高频逆变单元的第二输出端口，一次侧T型补偿单元的第一输出端口连接松耦合变压器的第一端口，一次侧T型补偿单元的第二输出端口连接松耦合变压器的第二端口；一次侧T型补偿单元用于接收高频逆变单元传输的特定频率的交流电，与松耦合变压器形成谐振回路并通过谐振回路将特定频率的交流电传输至松耦合变压器，并补偿松耦合变压器产生的无功。3.根据权利要求2所述的一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，其特征在于，所述一次侧T型补偿单元包括电容C
P1
、电感L
f1
和电容C
P2
；所述电容C
P1
的一端连接高频逆变单元的第一输出端口，电容C
P1
的另一端同时连接电感L
f1
的一端和电容C
P2
的一端；所述电感L
f1
的另一端同时连接高频逆变单元的第二输出端口和松耦合变压器的第二端口；所述电容C
P2
的另一端连接松耦合变压器的第一端口。4.根据权利要求3所述的一种本质恒流恒压自动平滑切换特性的高效率ICPT谐振拓扑，其特征在于，根据恒压阶段的充电电压和设定的拓扑工作角频率确定一次侧T型补偿单
元的参数，表示为：元的参数，表示为：元的参数，表示为：其中：V
0_CV
为恒压阶段的充电电压，M为松耦合变压器原边线圈和副边线圈间的互感，V
in
为直流输入电源的电压值，ω
r
为设定的拓扑工作角频率，L
p
为原边线圈自感。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马红波，任胜，李小彬，童果，魏清新，杜娟，谢孟，
申请(专利权)人：北京机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：