CN109742865A - 具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法 - Google Patents

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李佳
王杰
李刚
周洪
邓其军
胡文山
周东国
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Abstract

本发明提供了一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法，该***包括初级侧设备和至少一组次级侧设备，初级侧设备包括依次电连接的整流校准器、高频逆变器、Π‑CLC谐振电路以及软开关变压器，整流校准器用于将工频市电转化为直流电，高频逆变器用于将直流电转化为高频交流电，Π‑CLC谐振电路用于增加初级侧和次级侧之间耦合结构的驱动电压，软开关变压器用于补偿初级侧和次级侧之间耦合结构的等效电容；每组次级侧设备包括依次电连接的T‑CLC电路、整流滤波器以及负载，T‑CLC电路用于提供恒流输出，整流滤波器用于为负载提供直流电能输出。本发明的电容式能量传输***能够独立于负载的变化提供恒定不变的输出电流。

Description

具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法
技术领域
本发明涉及无线能量传输***，尤其涉及一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法。
背景技术
近年来，无线电能传输***受到了广泛关注，可以在多种场合下为电力设备提供电力。使用电场作为电力传输介质的电容式能量传输(CPT)是实现无线电能传输的新方法。典型的CPT***的耦合结构由两对金属板组成，即主板和采集板，采集板通过其间的电场与主板耦合。
由于耦合结构的设计灵活性和其金属结构的低涡流损耗，CPT技术已经引起了电动汽车电池充电，消费电子，LED照明行业的广泛关注。在行业内，对于多端恒流输出的应用场景日益趋增，如电池充电、LED驱动和焊接，通常需要一个以上的电源来驱动多个负载，并使用一个单一的CPT电路来驱动多个负载。由于电容耦合和负载的变化，即使是恒压源，CPT***也难以保证输出恒定电流，如何使得CPT***在负载变化时保持输出电流恒定仍是一项具有挑战性的任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法，旨在用于解决现有的CPT***在负载变化时无法保证输出电流恒定的问题。
本发明是这样实现的：
一方面，本发明提供一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，包括初级侧设备和至少一组次级侧设备，所述初级侧设备包括依次电连接的整流校准器、高频逆变器、Π-CLC谐振电路以及软开关变压器，所述整流校准器用于将工频市电转化为直流电，所述高频逆变器用于将直流电转化为高频交流电，所述Π-CLC谐振电路用于增加初级侧和次级侧之间耦合结构的驱动电压，所述软开关变压器用于补偿初级侧和次级侧之间耦合结构的等效电容；每组所述次级侧设备包括依次电连接的T-CLC电路、整流滤波器以及负载，所述T-CLC电路用于提供恒流输出，所述整流滤波器用于为负载提供直流电能输出。
进一步地，所述初级侧设备还包括与所述软开关变压器连接的主板阵列，所述主板阵列包括多个独立的子面板，每组所述次级侧设备还包括两个采集板，两个所述采集板分别与所述主板阵列的子面板之间形成耦合结构。
进一步地，所述T-CLC电路包括呈T型连接的第一电容C1t、第二电容C2t以及第一电感Lt。
进一步地，所述Π-CLC谐振电路包括第三电容C1p、第四电容C2p以及连接于第三电容C1p和第四电容C2p之间的第二电感Lp。
另一方面，本发明还提供一种上述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的调节方法，该方法包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与T-CLC电路的拓扑参数C1t、C2t、Lt之间满足如下关系：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定。
进一步地，该方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数C1p、C2p、Lp之间满足如下关系：
使得Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
进一步地，该方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数和T-CLC电路的拓扑参数同时满足如下条件：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定以及Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***及调节方法，通过初级侧的Π-CLC谐振电路和次级侧的T-CLC电路组成的混合共振拓扑结构，使得Π-CLC谐振电路能够独立于耦合结构和负载的变化维持恒定的驱动电压，T-CLC电路能够在输出端为多个负载提供独立于负载阻抗的恒定电流输出。该电容式能量传输***有效解决了多负载同时工作时相互之间影响电流输出的情况，能够独立于负载的变化提供恒定不变的输出电流，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的T-CLC电路拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的Π-CLC谐振电路拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，包括初级侧设备和至少一组次级侧设备，所述初级侧设备包括依次电连接的整流校准器1、高频逆变器2、Π-CLC谐振电路3、软开关变压器4以及主板阵列5，所述整流校准器1用于将工频市电转化为直流电，所述高频逆变器2用于将直流电转化为高频交流电，所述Π-CLC谐振电路3用于增加初级侧和次级侧之间耦合结构的驱动电压，所述软开关变压器4用于补偿初级侧和次级侧之间耦合结构的等效电容，所述主板阵列5包括多个相互绝缘独立的子面板；每组所述次级侧设备包括依次电连接的T-CLC电路7、整流滤波器8以及负载9，每组所述次级侧设备还包括两个采集板6，两个所述采集板6分别与所述主板阵列5的子面板之间形成耦合结构，通过耦合结构之间的交变电场传递能量。通过多组次级侧设备，可以实现一个初级侧可以同时为多个负载9提供电能。一组次级侧设备的两个采集板6均与所述T-CLC电路7连接，所述采集板6和所述T-CLC电路7一起提供恒流输出，所述整流滤波器8用于为负载9提供直流电能输出。
本实施例提供的这种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，通过初级侧的Π-CLC谐振电路和次级侧的T-CLC电路组成的混合共振拓扑结构，使得Π-CLC谐振电路能够独立于耦合结构和负载的变化维持恒定的驱动电压，T-CLC电路能够在输出端为多个负载提供独立于负载阻抗的恒定电流输出。该电容式能量传输***有效解决了多负载同时工作时相互之间影响电流输出的情况，能够独立于负载的变化提供恒定不变的输出电流。
所述T-CLC电路拓扑结构如图2所示，图2中虚线框中部分为所述T-CLC电路拓扑，包括呈T型连接的第一电容C1t、第二电容C2t以及第一电感Lt，Vin代表发射端耦合机构耦合到接收端的驱动电压，RL表示负载等效电阻。
所述初级侧Π-CLC谐振电路拓扑结构如图3所示，图3中虚线框中部分为所述Π-CLC谐振电路拓扑，包括第三电容C1p、第四电容C2p以及连接于第三电容C1p和第四电容C2p之间的第二电感Lp，Iac为初级侧电流源驱动的电流幅值，Rp为接收端在谐振状态下映射过来的等效阻性映射阻抗。
本发明实施例还提供一种上述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的调节方法，该方法包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与T-CLC电路的拓扑参数C1t、C2t、Lt之间满足如下关系：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定。
上述方法的原理如下：当***的驱动角频率ω与T-CLC电路的拓扑参数C1t、C2t、Lt之间满足如下关系时：
根据电路原理求解，可得通过负载RL的输出电流Iout可表示为：
Iout＝jωC1tVin＝jωC2tVin (2)
且接收端整体可等效为阻性负载。可见，当***参数满足式(1)的谐振条件时，T-CLC电路的输出电流与负载RL无关，在负载变化时可以得到一个恒定的输出电流。这也有利于避免负载之间的相互影响，为多负载***提供稳定的输出功率。
进一步地，该方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数C1p、C2p、Lp之间满足如下关系：
使得Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
上述方法的原理如下：当***的驱动角频率ω与Π-CLC拓扑参数C1p、C2p、Lp之间满足如下关系时：
根据电路原理求解，可得Rp两端的输出电压Vout可表示为：
Vout＝Iac/ωC2p (4)
可见，当***参数满足式(3)的谐振条件时，Π-CLC电路的输出电压与映射负载Rp无关，在负载变化时可以得到一个恒定的输出电压。且该电压是驱动电流Iac的1/(ωC2p)倍。
综上，当Π-CLC拓扑参数和T-CLC拓扑参数同时满足如下条件时：
发射端的输出电压与接收端的输出电流均与负载无关，且发射端电压比驱动电流倍增了1/(ωC2p)倍。
因此，上述方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数和T-CLC电路的拓扑参数同时满足如下条件：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定以及Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
利用本实施例的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***配合上述调节方法，使得Π-CLC谐振电路能够独立于耦合结构和负载的变化维持恒定的驱动电压，T-CLC电路能够在输出端为多个负载提供独立于负载阻抗的恒定电流输出。有效解决了多负载同时工作时相互之间影响电流输出的情况，能够独立于负载的变化提供恒定不变的输出电流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，包括初级侧设备和至少一组次级侧设备，其特征在于：所述初级侧设备包括依次电连接的整流校准器、高频逆变器、Π-CLC谐振电路以及软开关变压器，所述整流校准器用于将工频市电转化为直流电，所述高频逆变器用于将直流电转化为高频交流电，所述Π-CLC谐振电路用于增加初级侧和次级侧之间耦合结构的驱动电压，所述软开关变压器用于补偿初级侧和次级侧之间耦合结构的等效电容；每组所述次级侧设备包括依次电连接的T-CLC电路、整流滤波器以及负载，所述T-CLC电路用于提供恒流输出，所述整流滤波器用于为负载提供直流电能输出。
2.如权利要求1所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，其特征在于：所述初级侧设备还包括与所述软开关变压器连接的主板阵列，所述主板阵列包括多个独立的子面板，每组所述次级侧设备还包括两个采集板，两个所述采集板分别与所述主板阵列的子面板之间形成耦合结构。
3.如权利要求1所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，其特征在于：所述T-CLC电路包括呈T型连接的第一电容C1t、第二电容C2t以及第一电感Lt。
4.如权利要求3所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***，其特征在于：所述Π-CLC谐振电路包括第三电容C1p、第四电容C2p以及连接于第三电容C1p和第四电容C2p之间的第二电感Lp。
5.一种如权利要求4所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的调节方法，其特征在于，该方法包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与T-CLC电路的拓扑参数C1t、C2t、Lt之间满足如下关系：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定。
6.如权利要求5所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的调节方法，其特征在于，该方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数C1p、C2p、Lp之间满足如下关系：
使得Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
7.如权利要求5所述的具有混合共振拓扑结构的电容式能量传输***的调节方法，其特征在于，该方法还包括：
调节***的驱动角频率ω，使其与Π-CLC谐振电路的拓扑参数和T-CLC电路的拓扑参数同时满足如下条件：
使得T-CLC电路在负载变化时输出电流恒定以及Π-CLC谐振电路在负载变化时输出电压恒定。
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