基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构及该拓扑结构参数设计方法

技术领域

本发明涉及基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构及该拓扑结构参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线电能传输作为一种较为理想的电能传输方式，相比于传统的有线电能传输，具有更高的安全性、便捷性，在近年来得到了快速发展。按照传输功率的等级，小到手机、家电和各种移动式机器人，大到电动汽车等均有应用，拥有着广阔的发展前景。无线电能传输系统的传输效率作为一项重要的指标，一直以来都是人们关注的重点。通常来讲，对于无线电能传输系统而言，当系统处在相同的耦合系数变化情况下，系统的效率越高则传输性能越好。

针对无线电能传输系统的拓扑结构而言，串-串结构以其结构简单、技术成熟等诸多优点得到了广泛的应用，同时也是目前在工程领域应用最多的一种拓扑结构。对于串-串结构而言，虽然其结构可靠，适应性强，但当系统电路参数固定时，其效率只由耦合系数来决定，采用串-串结构的无线电能传输系统效率不易进一步提高。

发明内容

本发明为了解决现有无线电能传输系统串—串拓扑结构无法进一步提高无线电能传输系统效率的问题，提出了基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构及该拓扑结构参数设计方法，具体的：

一种基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构，所采取的技术方案如下：所述无线电能传输系统主电路结构包括开关网络机构1、无线电能传输系统发射线圈2、无线电能传输系统接收线圈3；所述开关网络机构1的两个电能输出端与所述无线电能传输系统发射线圈2的电能输入端相连；所述无线电能传输系统发射线圈2的耦合端与所述无线电能传输系统接收线圈3耦合感应；所述无线电能传输系统接收线圈3的电能信号输出端设有二次侧LCC补偿网络机构；所述开关网络机构1的两个电能输出端上分别设有电容C_P和电阻R_o。

一种权利要求1所述无线电能传输系统主电路结构的S-LCC拓扑结构的参数设计方法，所采取的技术方案如下：

所述参数设计方法包括如下步骤：

第一步：通过逆变器开关角频率模型，确定所述逆变器的开关角频率，其中，所述逆变器开关角频率模型为：

其中，ω为逆变器工作的开关角频率；L_s为无线电能传输系统接收线圈的自感；C_s表示为与接收线圈组成串联谐振的补偿电容；L_p为无线电能传输系统发射线圈的自感；C_P表示为与发射线圈组成串联谐振的补偿电容；

第二步：通过所述S-LCC拓扑结构的二次侧LCC补偿网络中各补偿原件之间的关系，获得参数λ，所述参数λ的参数模型为：

其中，L₁为补偿电感值，C₁为补偿电容值，参数λ的范围为1＜λ＜λ_max，λ_max为所述参数λ的上限值；

第三步：通过所述参数λ的参数模型获得参数λ与二次侧LCC拓扑结构中的补偿电感L₁和电容C₁之间的关系，其中关系模型为：

第四步：根据所述无线电能传输系统耦合系数k的工作区间确定参数λ的最佳参数值λ_best，所述最佳参数值λ_best为所述无线电能传输系统效率最佳时的参数值；

第五步：根据最佳参数值λ_best和第三步所述的关系模型，获得补偿电感最佳参数值和补偿电容最佳参数值；

第六步：根据第五步所述补偿电感最佳参数值和补偿电容最佳参数值即可获得S-LCC拓扑结构中如附图1所示的各元器件包括补偿电感L1和补偿电容C1的最佳参数值。

进一步地，第二步所述二次侧LCC补偿网络中各补偿原件之间的关系为：(1-ω²L₁C₁)L₁＝R_o²C₁。

进一步地，第四步所述最佳参数值λ_best的确定方法如下：

步骤一：根据所述无线电能传输系统的耦合系数k获得参数λ的上限值，所述参数λ的上限值为：

其中，λ_max为所述参数λ的上限值；R_s为接收线圈的线阻，R_p为发射线圈的线阻，R_o为所述无线电能传输系统输出的负载，k_min为所述无线电能传输系统的耦合系数k的下限值；

步骤二：当参数λ的范围满足1＜λ＜λ_max时，利用最佳参数值λ_best的取值模型，获得最佳参数值λ_best，其中，所述最佳参数值λ_best的取值模型为：

本发明有益效果：

本专利针对提升无线电能传输系统效率这一技术背景，基于S-LCC拓扑结构提出了基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构及该拓扑结构参数设计方法，以系统实际耦合系数的变化情况作为设计依据，根据实际需求设置参数的大小，具有较高的适用性，且具备较大的设计自由度，同时不影响系统的谐振特性。在相同的情况下，相比串-串结构，可以有效地提升系统的效率，且易于改进，具有良好的通用性，适用于各种功率等级的无线电能传输系统。通过采用本发明所述S-LCC拓扑结构及其参数设计方法，S-LCC拓扑结构的效率达到94％-96.5％，相较同等耦合系数情况下的串-串结构，提高了1-2个百分点，证明了基于本专利参数设计方法的S-LCC拓扑结构相比串-串结构在一定耦合系数范围内，对系统效率的有效提升。

附图说明

图1是本发明所述基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构的示意图。

图2是二次侧补偿网络阻抗分析示意图。

图3是串-串结构和S-LCC拓扑结构效率随耦合系数的变化曲线。

图4是基于S-LCC拓扑结构的用于提高系统效率的参数设计流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构，如图1所示，所述无线电能传输系统主电路结构包括开关网络机构1、无线电能传输系统发射线圈2、无线电能传输系统接收线圈3；所述开关网络机构1的两个电能输出端与所述无线电能传输系统发射线圈2的电能输入端相连；所述无线电能传输系统发射线圈2的耦合端与所述无线电能传输系统接收线圈3耦合感应；所述无线电能传输系统接收线圈3的电能信号输出端设有二次侧LCC补偿网络机构；所述开关网络机构1的两个电能输出端上分别设有电容C_P和电阻R_o。其中，U_dc为系统一次侧逆变电路的直流母线电压，L_p为发射线圈的自感，L_s为接收线圈的自感，R_p为发射线圈的线阻，R_s为接收线圈的线阻，M为一次侧与二次侧的互感，k为耦合系数。R_o为系统输出的负载，U_o为负载输出的电压。其中一次侧补偿网络中L_P与C_P构成串联结构，二次侧在L_s与C_s构成串联结构的基础上增加补偿器件L₁和C₁构成LCC结构。

本实施例所述基于S-LCC拓扑结构的无线电能传输系统主电路结构相比于串-串结构的无线电能传输系统，能够有效地提升系统的效率，且其拓扑结构易于改进，具有良好的通用性，适用于各种功率等级的无线电能传输系统。通过采用本发明所述S-LCC拓扑结构可以使无线电能传输系统达到94％-96.5％，相较同等耦合系数情况下的串-串结构，提高了1-2个百分点，可以看出基于本专利参数设计方法的S-LCC拓扑结构相比串-串结构在一定耦合系数范围内，对无线电能传输系统效率有很大程度的有效提升。

实施例2

一种权利要求1所述无线电能传输系统主电路结构的S-LCC拓扑结构的参数设计方法，如图2-4所示，所采取的技术方案如下：

所述参数设计方法包括如下步骤：

第一步：通过逆变器开关角频率模型，确定所述逆变器的开关角频率，其中，所述逆变器开关角频率模型为：

其中，ω为逆变器工作的开关角频率；L_s为无线电能传输系统接收线圈的自感；C_s表示为与接收线圈组成串联谐振的补偿电容；L_p为无线电能传输系统发射线圈的自感；C_P表示为与发射线圈组成串联谐振的补偿电容；

二次侧补偿网络的阻抗变换如附图2所示，U_oc为二次侧线圈感应的开路电压，Z_C2＝1/jωC₂，Z_L2＝jωL₂，ω为逆变器工作的开关角频率，负载R_o经过二次侧的阻抗变换网络之后记为Z′，表示为：

令式(2)虚部为零，则二次侧阻抗将呈现为纯阻性，得到电感L₂和电容C₂满足的关系为：

(1-ω²L₂C₂)L₂＝R_o²C₂

上述关系即为第二步所述二次侧LCC补偿网络中各补偿原件之间的关系；

第二步：通过所述S-LCC拓扑结构的二次侧LCC补偿网络中各补偿原件之间的关系，获得参数λ，所述参数λ的参数模型为：

其中，L₁为补偿电感值，C₁为补偿电容值，参数λ的范围为1＜λ＜λ_max，λ_max为所述参数λ的上限值；

第三步：通过所述参数λ的参数模型获得参数λ与二次侧LCC拓扑结构中的补偿电感L₁和电容C₁之间的关系，其中关系模型为：

第四步：根据所述无线电能传输系统耦合系数k的工作区间确定参数λ的最佳参数值λ_best，所述最佳参数值λ_best为所述无线电能传输系统效率最佳时的参数值；

第五步：根据最佳参数值λ_best和第三步所述的关系模型，获得补偿电感最佳参数值和补偿电容最佳参数值；

第六步：根据第五步所述补偿电感最佳参数值和补偿电容最佳参数值即可获得S-LCC拓扑结构中如附图1所示的各元器件包括补偿电感L1和补偿电容C1的最佳参数值。

其中，第四步所述最佳参数值λ_best的确定方法如下：

步骤一：根据所述无线电能传输系统的耦合系数k获得参数λ的上限值，所述参数λ的上限值为：

其中，λ_max为所述参数λ的上限值；R_s为接收线圈的线阻，R_p为发射线圈的线阻，R_o为所述无线电能传输系统输出的负载，k_min为所述无线电能传输系统的耦合系数k的下限值；

步骤二：当参数λ的范围满足1＜λ＜λ_max时，利用最佳参数值λ_best的取值模型，获得最佳参数值λ_best，其中，所述最佳参数值λ_best的取值模型为：

根据上述过程可以获得S-LCC拓扑结构的系统效率表达式为：

而传统串-串结构的系统效率表达式为：

根据S-LCC拓扑结构的系统效率表达式和传统串-串结构的系统效率表达式可以绘制两种结构的效率随耦合系数变化曲线如附图3所示。根据图3可以看出，系统耦合系数k的工作区间为大于k₀的区域内，S-LCC拓扑结构的系统效率明显大幅度提高，即当对应系统耦合系数的工作范围为0.2-0.4时，利用以上的参数确定方法，可以求出此时参数λ的最佳取值为1.2，这时通过采用本专利所提出的参数设计方法，S-LCC拓扑结构的效率达到94％-96.5％，相较同等耦合系数情况下的串-串结构，提高了1-2个百分点，证明了基于本专利参数设计方法的S-LCC拓扑结构相比串-串结构在一定耦合系数范围内，对系统效率的有效提升。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。