CN108711950A - 一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法 - Google Patents

一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。所述拓扑结构电路包括原边谐振补偿网络和副边串联补偿网络。所述一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法具有有效提高电压增益的特点。

Description

一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构 电路及参数设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法，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。无线电能传输的传输距离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***而言，当输入端电压保持不变时，接收端在相同的传输距离上能够获得更大的功率输出，则***的电压增益越高，说明***的无线电能传输能力越强。
针对无线电能传输***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，但也存在一定的缺陷，其输出电压即电压增益受耦合系数的影响较大。当***处于远距离功率传输时，往往此时对应的耦合系数较低，***处于弱耦合状态，在这种情况下，串-串结构的电压增益会迅速下降，从而降低传输功率，无法满足弱耦合系数场合的功率传输要求。
发明内容
本发明为了解决传统串-串结构在远距离弱耦合情况下电压增益较低，无法满足***输出电压要求的问题，提出了一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路，相比串-串结构，实现在相同传输距离的情况下，仅通过调整补偿电容的比值就可以线性地提高***的电压增益，以满足实际的***要求。所述一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路及参数设计方法，所采取的技术方案如下：
一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路，所述拓扑结构电路包括原边谐振补偿网络和副边串联补偿网络；所述原边谐振补偿网络包括全桥逆变电路1、谐振补偿网络电容一2、谐振补偿网络电感一3、谐振补偿网络电感二4、谐振补偿网络电容二5、并联电容6和原边发射线圈7；所述全桥逆变电路的输出一端与所述谐振补偿网络电容一2和谐振补偿网络电感一3串联；所述谐振补偿网络电感一3的两端与所述谐振补偿网络电感二4、谐振补偿网络电容二5和并联电容6的串联结构并联；所述并联电容6的两端与原边发射线圈7并联；所述副边串联补偿网络包括副边接收线圈8和串联补偿电容9；所述副边接收线圈8和串联补偿电容9串联。
进一步地，所述副边接收线圈和串联补偿电容处于谐振状态；所述并联电容和原边发射线圈处于谐振状态，并且副边接收线圈与串联补偿电容的谐振状态和并联电容与原边发射线圈的谐振状态的谐振频率相同。
一种所述拓扑结构电路的参数设计方法，所述参数设计方法包括：
步骤一：根据逆变器开关角频率模型获得串联补偿电容CS和并联电容CP的电容值，其中，逆变器开关角频率模型为：
模型中，ω为逆变器工作的开关角频率，LP表示的为***发射线圈的自感大小，CP表示为与发射线圈构成串联谐振的补偿电容，LS表示的为***接收线圈的自感大小，CS表示为与接收线圈构成串联谐振的补偿电容；
步骤二：根据拓扑结构电路的网络结构确定补偿原件之间的基本关系，其中，所述基本关系的模型为：
其中，L1表示一次侧补偿网络的1号补偿电感；C1表示一次侧补偿网络的1号补偿电容； C2表示一次侧补偿网络的2号补偿电容；
步骤三：根据补偿元件获取模型，获取各补偿元件的具体值，其中，所述补偿元件获取模型为：
其中，a为电压增益所需线性提升倍数；
步骤四：根据发射线圈电流模型获取拓扑结构发射线圈当中的电流值，其中，所述发射线圈电流模型为：
其中，Uin为逆变电路输出的交流电压；Ro为负载电阻；Rs为接收线圈内阻；ωo为谐振频率；M为发射线圈与接收线圈之间的互感；RP为发射线圈内阻；
步骤五：步骤三和步骤四获得的参数值即为所述拓扑结构电路的参数。
本发明有益效果：
本发明提出的用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路相对于传统的串-串型拓扑结构具有在固定耦合系数的情况下，根据拓扑结构自身电容比大小线性提高无线电能传输***电压增益的特性，用以满足***在远距离情况下的高电压增益要求的特点。并且，本发明所述拓扑结构结合其参数设计方法，相比串-串结构而言，能够实现此时电压增益线性提高的倍数与***所处的耦合系数大小无关，即在远距离情况下，电压增益线性提高倍数不受耦合系数的限制(传统串-串结构的电压增益线性提高值是受***耦合系数的限制的，即电压增益提高到一定程度，受耦合系数限制就无法再提高到需求倍数)，可以根据实际需求将电压增益提高到任意倍数，该任意倍数包括***允许的任意高倍数，如6倍，8倍，10倍等，用以适用于任何耦合系数下的电压增益提高。
附图说明
图1是本发明所述用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的新型拓扑结构。
图2是一次侧新型补偿网络示意图。
图3是***等效电路图。
图4是串-串结构与新型拓扑结构发射线圈电流变化曲线。
图5是***耦合系数随传输距离的变化曲线。
图6是串-串结构与新型拓扑结构***电压增益对比。
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：
一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路，如图1所示，所述拓扑结构电路包括原边谐振补偿网络和副边串联补偿网络；所述原边谐振补偿网络包括全桥逆变电路1、谐振补偿网络电容一2、谐振补偿网络电感一3、谐振补偿网络电感二4、谐振补偿网络电容二5、并联电容6和原边发射线圈7；所述全桥逆变电路的输出一端与所述谐振补偿网络电容一2和谐振补偿网络电感一3串联；所述谐振补偿网络电感一3的两端与所述谐振补偿网络电感二4、谐振补偿网络电容二5和并联电容6的串联结构并联；所述并联电容6的两端与原边发射线圈7并联；所述副边串联补偿网络包括副边接收线圈8和串联补偿电容9；所述副边接收线圈8和串联补偿电容9串联。
所述副边接收线圈和串联补偿电容处于谐振状态；所述并联电容和原边发射线圈处于谐振状态，并且副边接收线圈与串联补偿电容的谐振状态和并联电容与原边发射线圈的谐振状态的谐振频率相同。
实施例2
一种所述拓扑结构电路的参数设计方法，所述参数设计方法包括：
步骤一：根据逆变器开关角频率模型获得串联补偿电容CS和并联电容CP的电容值，其中，逆变器开关角频率模型为：
模型中，ω为逆变器工作的开关角频率，LP表示的为***发射线圈的自感大小，CP表示为与发射线圈构成串联谐振的补偿电容，LS表示的为***接收线圈的自感大小，CS表示为与接收线圈构成串联谐振的补偿电容；
步骤二：根据拓扑结构电路的网络结构确定补偿原件之间的基本关系，其中，所述基本关系的模型为：
其中，L1表示一次侧补偿网络的1号补偿电感；C1表示一次侧补偿网络的1号补偿电容； C2表示一次侧补偿网络的2号补偿电容；即L1为拓扑结构电路中的谐振补偿网络电感一感值； C1为拓扑结构电路中谐振补偿网络电容一容值；C2为拓扑结构电路中谐振补偿网络电容二容值。
步骤三：根据补偿元件获取模型，获取各补偿元件的具体值，其中，所述补偿元件获取模型为：
其中，a为电压增益所需线性提升倍数，当串-串拓扑结构在远距离的情况下进行无线电能传输时，由于距离较远，此时对应串-串拓扑结构的电压增益仅为Go，而***所需的电压增益为GN，GN＞Go，那么此时***的电压增益需要线性提升a倍，其中a的定义如下所示：
步骤四：根据发射线圈电流模型获取拓扑结构发射线圈当中的电流值，其中，所述发射线圈电流模型为：
其中，Uin为逆变电路输出的交流电压；Ro为负载电阻；Rs为接收线圈内阻；ωo为谐振频率；M为发射线圈与接收线圈之间的互感；RP为发射线圈内阻；
步骤五：步骤三和步骤四获得的参数值即为所述拓扑结构电路的参数。
实施例3
本实施例提出了一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路，所述拓扑电路结构如图1所示，原边采用新型谐振补偿网络，副边采用串联补偿。图1中，Udc为逆变电路的直流母线电压，Q1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变电路。原边由发射线圈LP，并联电容CP，以及由L1，C1，L2和C2构成的新型阻抗补偿网络构成，RP为发射线圈内阻。Ls为接收线圈，Cs为串联电容，Rs为接收线圈线阻。M为发射线圈与接收线圈之间的互感，其中k为耦合系数。
拓扑结构中各参数之间的电抗关系如式(1)所示，其中：LP与CP、Ls与Cs、L1与C1处于谐振状态，并具有相同的谐振频率，L2＝LP，C2＝C1
***一次侧的新型补偿网络如附图2所示。图中，Uin是逆变电路输出的交流电压。谐振频率定义参数a为电容C1与CP的比值，即且a≥1，
根据式(1)的关系式，则有：
***的等效电路模型如附图3所示。图3中，Iin为***的输入电流，IP为发射线圈的电流。推导出新型拓扑结构的***总输入阻抗Zin为：
根据式(3)，当处于谐振状态时，***输入电流Iin的表达式为：
令则一次线圈的电流IP可以表示为：
其中，ZL1为电感感抗值，ZL1＝jωoL1，ZC1为电容容抗值，IP的表达式可以整理为：
发射线圈电流IP可进一步表示为：
由式(7)可知，新型拓扑结构相比传统串-串结构，在相同的耦合系数下，***发射线圈的电流提升a倍，有效地提高***电能传输能力，当参数a取不同值时的新型拓扑结构和串-串结构发射线圈电流IP波形如附图4所示，相对于串-串结构，发射线圈的电流提高倍数与参数a的取值相同。
根据互感原理，副边感应电压为ωoMIP，负载电压的表达式：
当***线圈参数固定时，根据输出电压表达式，通过设置参数a可以调节输出电压的大小。电压的增益G可以表示为：
其中当参数a＝1时，式(9)便转换为串-串结构的***电压增益。可以看出，当耦合系数固定时，新型拓扑结构的电压增益为对应串-串结构的a倍。***电压增益得到了线性的提高，且***电压增益的线性放大倍数a仅与***拓扑结构当中的C1/CP有关。当耦合系数较低时，串-串结构的电压增益很小，进而导致***传输功率的下降，而新型拓扑结构可以利用其自身特性线性地提高***的电压增益，进而可以在弱耦合的情况下实现更大功率的传输。
其中耦合系数随传输距离的变化曲线如附图5所示。从附图5和附图6可以看出，当传输距离为从10到30cm变化时，对应耦合系数的变化范围为0.03到0.16。当参数a的值取2，***处于不同的耦合系数时，新型拓扑结构的电压增益均是相同情况下串-串结构电压增益的 2倍，与耦合系数无关，同时新型拓扑结构在最远传输距离处的输出电压增益达到3.5，相比与串串结构同等距离下，电压增益提高了2倍以上，这证明了新型拓扑结构在提高***电压增益方面的优越性。
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。

Claims (3)

1.一种用于线性提高远距离无线电能传输电压增益的拓扑结构电路，其特征在于，所述拓扑结构电路包括原边谐振补偿网络和副边串联补偿网络；所述原边谐振补偿网络包括全桥逆变电路(1)、谐振补偿网络电容一(2)、谐振补偿网络电感一(3)、谐振补偿网络电感二(4)、谐振补偿网络电容二(5)、并联电容(6)和原边发射线圈(7)；所述全桥逆变电路的输出一端与所述谐振补偿网络电容一(2)和谐振补偿网络电感一(3)串联；所述谐振补偿网络电感一(3)的两端与所述谐振补偿网络电感二(4)、谐振补偿网络电容二(5)和并联电容(6)的串联结构并联；所述并联电容(6)的两端与原边发射线圈(7)并联；所述副边串联补偿网络包括副边接收线圈(8)和串联补偿电容(9)；所述副边接收线圈(8)和串联补偿电容(9)串联。
2.根据权利要求1所述拓扑结构电路，其特征在于，所述副边接收线圈(8)和串联补偿电容(9)处于谐振状态；所述并联电容(6)和原边发射线圈(7)处于谐振状态，并且副边接收线圈(8)与串联补偿电容(9)的谐振状态和并联电容(6)与原边发射线圈(7)的谐振状态的谐振频率相同。
3.一种权利要求1所述拓扑结构电路的参数设计方法，其特征在于，所述参数设计方法包括：步骤一：根据逆变器开关角频率模型获得串联补偿电容CS和并联电容CP的电容值，其中，逆变器开关角频率模型为：
模型中，ω为逆变器工作的开关角频率，LP表示的为***发射线圈的自感大小，CP表示为与发射线圈构成串联谐振的补偿电容，LS表示的为***接收线圈的自感大小，CS表示为与接收线圈构成串联谐振的补偿电容；
步骤二：根据拓扑结构电路的网络结构确定补偿原件之间的基本关系，其中，所述基本关系的模型为：
其中，L1表示一次侧补偿网络的1号补偿电感；C1表示一次侧补偿网络的1号补偿电容；C2表示一次侧补偿网络的2号补偿电容；
步骤三：根据补偿元件获取模型，获取各补偿元件的具体值，其中，所述补偿元件获取模型为：
其中，a为电压增益所需线性提升倍数；
步骤四：根据发射线圈电流模型获取拓扑结构发射线圈当中的电流值，其中，所述发射线圈电流模型为：
其中，Uin为逆变电路输出的交流电压；Ro为负载电阻；Rs为接收线圈内阻；ωo为谐振频率；M为发射线圈与接收线圈之间的互感；RP为发射线圈内阻；
步骤五：步骤三和步骤四获得的参数值即为所述拓扑结构电路的参数。
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