【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线电能传输领域，具体公开基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，属于发电、变电或配电的。
技术介绍
1、磁耦合无线电能传输技术采用磁场耦合能量传输方式，供电端和受电端之间没有电气和机械连接，与传统有线传输方式相比，具有方便、安全、可靠等优点。随着传输效率的提升，近年来磁耦合无线电能传输技术在消费电子、无人机、电动汽车、生物植入等领域得到了广泛应用和推广。
2、目前，磁耦合无线供电结构中多采用双边补偿，即原边和副边分别采用补偿电路。那么，供电电源、原边补偿装置和磁耦合原边线圈一般位于地面的固定位置上，副边线圈和副边补偿装备等则位于移动设备上。补偿网络从包含一个补偿电容的四种基本补偿结构串联-串联(ss)、并联-并联(pp)、串联-并联(sp)、并联-串联(ps)到高阶补偿网络如s/lcc、s/sp和lcc/lcc等高阶补偿拓扑中，副边补偿网络的存在增加了设备侧的体积、重量和成本，降低了设备侧的功率密度。
3、为减少设备侧的体积、重量和成本，从而使消费电子、无人机、电动汽车等移动终端更加灵活、轻便，设备侧紧凑型无线电能传输系统得到了广泛关注。但现有的设备侧紧凑型无线电能传输系统仅能实现恒流输出，且输出电流增益受限于变压器互感参数，难以调节。因此，亟需提出一种具有实现任意增益的恒压/恒流输出特性的设备侧紧凑型磁耦合无线电能传输拓扑结构。
技术实现思路
1、本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供基于广义变压器的设备侧紧凑型无
2、本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
3、基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，由高频交流电源、原边补偿模块、原边线圈、副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接的直流负载组成。其中，高频交流电源可由直流电源通过逆变器或相应技术产生，用于向原边补偿模块的输入端口提供高频交流信号；原边补偿模块的输入端口连接高频交流电源，原边补偿模块所包含元件的参数基于广义变压器模型确定，用于对系统整体无功进行补偿及输出增益调节；原边线圈连接原边补偿模块的输出端口，能量通过磁场耦合从原边线圈传递到副边线圈；副边线圈连接交流负载或者通过整流模块连接直流负载，整流模块将高频交流电转换为直流电供给直流负载使用。
4、进一步地，磁耦合无线电能传输系统根据广义变压器模型，在原边侧通过设计单个t型/π型网络或其衍生网络来实现任意增益要求的恒流或恒压输出，以满足不同的场景需要。并且，副边设备侧无需任何补偿网络，仅包含副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接直流负载，节省了设备的占地空间和成本。此外，本专利技术采用定频控制且实现了全负载范围下的输入零相角特性，无需增加额外的控制电路和原、副边通信，有效提高系统功率密度，保证高效能量传输。
5、进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且恒压输出补偿模块为单个t型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：
6、进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且恒压输出补偿模块为单个π型网络时，a阻抗元件、b阻抗元件、c阻抗元件的参数为：
7、进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且恒流输出补偿模块为单个t型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：
8、进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且恒流输出补偿模块为单个π型网络时，a阻抗元件、b阻抗元件、c阻抗元件的参数为：
9、进一步地，原边补偿模块各元件参数计算步骤如下：
10、步骤1：根据不同应用场景确定系统工作频率ω，当系统需要恒压输出时，通过所需的输出电压有效值vo与输入电压有效值vin的关系e＝vo/vin以及线圈自感大小lp、ls确定广义变压器模型的参数α为：
11、
12、当系统需要恒流输出时，通过所需的输出电流有效值io与输入电压有效值vin的关系g＝io/vin、系统工作频率ω、线圈自感大小lp、ls以及耦合系数k确定广义变压器模型的参数α为：
13、
14、步骤2：原边侧通过设计单个t型/π型网络或其衍生网络均可实现恒流或恒压输出，根据步骤1中确定的广义变压器模型参数计算其中各元件的具体值。当系统需要恒压输出时，各元件参数为：
15、
16、当系统需要恒流输出时，各元件参数为：
17、
18、步骤3：步骤2中计算得到的原边补偿模块中各元件均为电感或电容元件，因此，原边补偿网络应根据原边补偿模块中电感/电容元件的组成结构、实际产生高频交流电源的方式、以及交流电源的类型等条件选择。
19、进一步地，在完成参数设计后，可以对原边补偿模块进行参数微调，使系统在不影响输出特性的情况下产生弱感性或者弱容性来实现逆变模块的零电压开关(zero-voltageswitching,zvs)或零电流开关(zero-current switching,zcs)。
20、本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：
21、(1)本专利技术提出的基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，根据广义变压器模型在原边侧通过设计单个t型/π型网络或其衍生网络来实现任意增益要求的恒流或恒压输出，以满足不同的场景需要，副边设备侧无需任何补偿网络，仅包含副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接直流负载，节省了设备的占地空间和成本。
22、(2)本专利技术采用定频控制且实现了全负载范围下的输入零相角特性，无需增加额外的控制电路和原、副边通信，有效提高系统功率密度，保证高效能量传输。
23、(3)本专利技术可以对原边补偿模块进行参数微调，使系统在不影响输出特性的情况下产生弱感性或者弱容性来实现逆变模块的zvs或zcs，进一步提高效率。
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1.基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压或恒流输出补偿模块。
3.根据权利要求2所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述恒压或恒流输出补偿模块为单个T型网络或单个Π型网络或单个T型网络的衍生网络或单个Π型网络的衍生网络；其中，
4.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且所述恒压输出补偿模块为单个T型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：其中，Z1、Z2、Z3分别为第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的阻抗值，ω为系统工作频率，k为耦合系数，α为广义变压器模型的参数，LP、LS分别为原边线圈、副边线圈的自感，E＝VO/Vin，VO为目标输出电压有效值，Vin为输入电压有效值。
5.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线
6.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且所述恒流输出补偿模块为单个T型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：其中，Z1、Z2、Z3分别为第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的阻抗值，ω为系统工作频率，k为耦合系数，α为广义变压器模型的参数，LP、LS分别为原边线圈、副边线圈的自感，G＝IO/Vin，IO为目标输出电流有效值，Vin为输入电压有效值。
7.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且所述恒流输出补偿模块为单个Π型网络时，A阻抗元件、B阻抗元件、C阻抗元件的参数为：其中，ZA、ZB、ZC分别为A阻抗元件、B阻抗元件、C阻抗元件的阻抗值，ω为系统工作频率，k为耦合系数，α为广义变压器模型的参数，LP、LS分别为原边线圈、副边线圈的自感，G＝IO/Vin，IO为目标输出电流有效值，Vin为输入电压有效值。
8.根据权利要求4至7中任意一项所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块所包含元件的参数确定后，对各参数进行微调直至无线电能传输拓扑结构在不影响输出的情况下产生弱感性或者弱容性。
9.根据权利要求8所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，对所述无线电能传输拓扑结构采用定频控制策略。
10.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构的参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压或恒流输出补偿模块。
3.根据权利要求2所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述恒压或恒流输出补偿模块为单个t型网络或单个π型网络或单个t型网络的衍生网络或单个π型网络的衍生网络；其中，
4.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且所述恒压输出补偿模块为单个t型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：其中，z1、z2、z3分别为第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的阻抗值，ω为系统工作频率，k为耦合系数，α为广义变压器模型的参数，lp、ls分别为原边线圈、副边线圈的自感，e＝vo/vin，vo为目标输出电压有效值，vin为输入电压有效值。
5.根据权利要求3所述基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，其特征在于，所述原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且所述恒压输出补偿模块为单个π型网络时，a阻抗元件、b阻抗元件、c阻抗元件的参数为：其中，za、zb、zc分别为a阻抗元件、b阻抗元件、c阻抗元件的阻抗值，ω为系统工作频率，k为耦合系数，α为广义变压器模型的参数，lp、ls分别为原边线圈、副边线圈的自感，e＝vo/vin，vo为目标输出电压有效值，vin为输入电压有效值。
6.根据权利要求3所...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，刘景航，郭志浩，马春伟，黄智聪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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