CN110912282A - 一种无线电能传输***及其优化方法 - Google Patents

一种无线电能传输***及其优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输***及其优化方法。该***包括：电源、逆变器、LCC‑S型补偿网络、整流桥和Boost变换器；逆变器的输入端与电源连接，逆变器的输出端与LCC‑S型补偿网络的输入端连接；LCC‑S型补偿网络的输出端与整流桥的输入端连接，整流桥的输出端与Boost变换器连接。采用本发明的无线电能传输***及其优化方法，在无线电能传输***中加入Boost变换器，考虑了无线电能传输***的传输效率和无线电能传输***LCC‑S型补偿网络的电应力，具有能够提高无线电能传输***工作时的安全性和稳定性的优点。

Description

一种无线电能传输***及其优化方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种无线电能传输***及其优化方法。
背景技术
无线电能传输***因无线连接、自动化程度高、节省空间的优点，得到了广泛的关注，并被引入到电动汽车、手机充电、智能家居、物流小车等领域。在实际应用中，根据调节输出电压、优化无线电能传输***性能的需要，需要在无线能量传输线圈的原边或者副边加入额外的变换器。
目前，有些研究是通过在副边加入Buck变换器并进行分压采样，调节原边的功率电源以实现输出电压的恒定，提高了***的稳定性，但并没有考虑到新加入的Buck变换器对无线电能传输***传输效率和无线电能传输***LCC-S型补偿网络的电应力的影响。另一些研究是在无线电能传输***的前级和后级均加入Buck变换器的拓扑。通过锁相环实现了频率跟踪，以使***在谐振参数变化时始终工作在谐振频率，在二次侧使用DC-DC变换器调节等效负载来抑制频率***，从而使频率跟踪不受频率***现象影响，但其只考虑到了Buck变换器对频率***这一方面的影响，也没有考虑Buck变换器对无线电能传输***传输效率和无线电能传输***LCC-S型补偿网络的电应力的影响，无法保障无线电能传输***工作时的安全性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线电能传输***及其优化方法，在无线电能传输***中加入Boost变换器，考虑了无线电能传输***的传输效率和无线电能传输***LCC-S型补偿网络的电应力，具有能够提高无线电能传输***工作时的安全性和稳定性的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无线电能传输***，包括：
电源、逆变器、LCC-S型补偿网络、整流桥和Boost变换器；
所述逆变器的输入端与所述电源连接，所述逆变器的输出端与所述LCC-S型补偿网络的输入端连接；所述LCC-S型补偿网络的输出端与所述整流桥的输入端连接，所述整流桥的输出端与所述Boost变换器连接。
可选的，所述LCC-S型补偿网络，具体包括：
原边补偿电路、无线能量传输线圈和副边补偿电路；
所述原边补偿电路的输入端与所述逆变器的输出端连接；所述原边补偿电路的输出端与所述无线能量传输线圈的输入端连接；所述无线能量传输线圈的输出端与所述副边补偿电路的输入端连接；所述副边补偿电路的输出端与所述整流桥的输入端连接。
可选的，所述无线能量传输线圈，具体包括：
原边线圈等效阻抗和副边线圈等效阻抗；所述原边线圈等效阻抗与所述副边线圈等效阻抗耦合连接。
可选的，所述原边补偿电路，具体包括：
原边补偿电路串联电感的等效阻抗、原边补偿电路串联电容的等效阻抗和原边补偿电路并联电容的等效阻抗；
所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第一端与逆变器的第一输出端连接；所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第二端分别与原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端和原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与原边线圈等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第二端分别与逆变器的第二输出端和原边线圈等效阻抗的第二端连接。
可选的，所述副边补偿电路，具体包括：
副边补偿电路串联电容的等效阻抗；
副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端与副边线圈等效阻抗第一端连接；副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与整流桥第一输入端连接；副边线圈等效阻抗第二端与整流桥第二输入端连接。
可选的，
所述原边线圈等效阻抗，具体包括：原边线圈自感和原边线圈内阻；所述原边线圈自感和所述原边线圈内阻串联连接；
所述副边线圈等效阻抗，具体包括：副边线圈自感和副边线圈内阻；所述副边线圈自感和所述副边线圈内阻串联连接；
所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路串联电感和原边补偿电路串联电感的内阻；所述原边补偿电路串联电感和所述原边补偿电路串联电感的内阻串联连接；
所述原边补偿电路串联电容的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路串联电容和原边补偿电路串联电容的内阻；所述原边补偿电路串联电容和所述原边补偿电路串联电容的内阻串联连接；
所述原边补偿电路并联电容的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路并联电容和原边补偿电路并联电容的内阻；所述原边补偿电路并联电容和所述原边补偿电路并联电容的内阻串联连接；
所述副边补偿电路串联电容的等效阻抗，具体包括：副边补偿电路串联电容和副边补偿电路串联电容的内阻；所述副边补偿电路串联电容和所述副边补偿电路串联电容的内阻串联连接。
本发明还提供一种无线电能传输***的优化方法，应用于上述无线电能传输***，所述方法包括：
获取无线电能传输***的元件参数以及与Boost变换器连接的负载电阻；所述无线电能传输***的元件参数包括Boost变换器工作占空比和LCC-S型补偿网络参数；
根据所述无线电能传输***的元件参数以及所述与Boost变换器连接的负载电阻调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力。
可选的，所述方法，还包括：
根据所述无线电能传输***的元件参数调节逆变器的输出阻抗角。
可选的，所述根据所述无线电能传输***的元件参数以及所述与Boost变换器连接的负载电阻调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力，具体包括：
根据如下公式调节所述无线电能传输***的效率ηtrans：
Figure BDA0002298482760000041
其中，
Figure BDA0002298482760000042
Figure BDA0002298482760000043
Figure BDA0002298482760000044
式中，IO表示整流桥输入电流，IIN表示逆变器输出电流，r(ZRe)表示ZRe的实部，r(ZIN)表示ZIN的实部，ZRe表示整流桥输入阻抗，ZIN表示逆变器输出阻抗，Z12表示LCC-S型补偿网络第一互阻抗，Z22表示LCC-S型补偿网络第二自阻抗，D表示Boost变换器工作占空比，RL表示与Boost变换器连接的负载的电阻，ZM表示原边线圈与副边线圈的互感阻抗，Zp2表示原边补偿电路并联电容的等效阻抗，Zp1表示原边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z1表示原边线圈等效阻抗，Zs1表示副边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z2表示副边线圈等效阻抗；
根据如下公式调节所述LCC-S型补偿网络的电应力
Figure BDA0002298482760000045
Figure BDA0002298482760000046
其中，
Figure BDA0002298482760000047
Z21＝Z12
式中，UIN表示逆变器输出电压，Z21表示LCC-S型补偿网络第二互阻抗，Z11表示LCC-S型补偿网络第一自阻抗，ZL11表示原边补偿电路串联电感的等效阻抗。
可选的，所述根据所述无线电能传输***的元件参数调节逆变器的输出阻抗角，具体包括：
根据如下公式调节所述逆变器的输出阻抗角θ：
Figure BDA0002298482760000051
其中，
Figure BDA0002298482760000052
Figure BDA0002298482760000053
式中，I(ZIN)表示ZIN的虚部，ω表示无线电能传输***工作频率，ω0表示谐振频率，Cp1表示原边补偿电路串联电容，Cp2表示原边补偿电路并联电容，L1表示原边线圈自感；VOUT表示与Boost变换器连接的负载电压值，Ud表示逆变器直流母线电压，M表示原边线圈与副边线圈的互感，Zref表示副边线圈折射到原边线圈的等效阻抗。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种无线电能传输***及其优化方法，通过在无线电能传输***中加入Boost变换器，考虑了无线电能传输***的传输效率和无线电能传输***LCC-S型补偿网络的电应力，通过改变Boost变换器的占空比调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力，具有能够提高无线电能传输***工作时的安全性和稳定性的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中无线电能传输***结构图；
图2为本发明实施例中LCC-S型补偿网络拓扑图；
图3为本发明实施例中无线电能传输***的优化方法流程图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无线电能传输***及其优化方法，在无线电能传输***中加入Boost变换器，考虑了无线电能传输***的传输效率和无线电能传输***LCC-S型补偿网络的电应力，具有能够提高无线电能传输***工作时的安全性和稳定性的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例中无线电能传输***结构图，如图1所示，本实施例提供了一种无线电能传输***，包括：直流电源201、逆变器202、LCC-S型补偿网络、整流桥206和Boost变换器207。逆变器的输入端与电源连接，逆变器的输出端与LCC-S型补偿网络的输入端连接；LCC-S型补偿网络的输出端与整流桥的输入端连接，整流桥的输出端与Boost变换器连接。Boost变换器连接负载208。
LCC-S型补偿网络，具体包括：原边补偿电路203、无线能量传输线圈204和副边补偿电路205。原边补偿电路的输入端与逆变器的输出端连接；原边补偿电路的输出端与无线能量传输线圈的输入端连接；无线能量传输线圈的输出端与副边补偿电路的输入端连接；副边补偿电路的输出端与整流桥的输入端连接。
图2为本发明实施例中LCC-S型补偿网络拓扑图，如图2所示，
无线能量传输线圈，具体包括：原边线圈等效阻抗Z1和副边线圈等效阻抗Z2；原边线圈等效阻抗与副边线圈等效阻抗耦合连接。原边线圈等效阻抗，具体包括：原边线圈自感L1和原边线圈内阻R1；原边线圈自感和原边线圈内阻串联连接。副边线圈等效阻抗，具体包括：副边线圈自感L2和副边线圈内阻R2；副边线圈自感和副边线圈内阻串联连接。
原边补偿电路，具体包括：原边补偿电路串联电感的等效阻抗ZL11、原边补偿电路串联电容的等效阻抗Zp1和原边补偿电路并联电容的等效阻抗Zp2。原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第一端与逆变器的第一输出端连接；原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第二端分别与原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端和原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与原边线圈等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第二端分别与逆变器的第二输出端和原边线圈等效阻抗的第二端连接。
原边补偿电路串联电感的等效阻抗ZL11，具体包括：原边补偿电路串联电感R11和原边补偿电路串联电感的内阻L11；原边补偿电路串联电感和原边补偿电路串联电感的内阻串联连接。原边补偿电路串联电容的等效阻抗Zp1，具体包括：原边补偿电路串联电容Cp1和原边补偿电路串联电容的内阻Rp1；原边补偿电路串联电容和原边补偿电路串联电容的内阻串联连接。原边补偿电路并联电容的等效阻抗Zp2，具体包括：原边补偿电路并联电容Cp2和原边补偿电路并联电容的内阻Rp2；原边补偿电路并联电容和原边补偿电路并联电容的内阻串联连接。
副边补偿电路，具体包括：副边补偿电路串联电容的等效阻抗Zs1。副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端与副边线圈等效阻抗第一端连接；副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与整流桥第一输入端连接；副边线圈等效阻抗第二端与整流桥第二输入端连接。副边补偿电路串联电容的等效阻抗Zs1，具体包括：副边补偿电路串联电容Cs1和副边补偿电路串联电容的内阻Rs1；副边补偿电路串联电容和副边补偿电路串联电容的内阻串联连接。
图3为本发明实施例中无线电能传输***的优化方法流程图，如图3所示，一种无线电能传输***的优化方法，应用于上述无线电能传输***，该方法包括：
步骤301：获取无线电能传输***的元件参数以及与Boost变换器连接的负载电阻；无线电能传输***的元件参数包括Boost变换器工作占空比和LCC-S型补偿网络参数。
步骤302：根据无线电能传输***的元件参数以及与Boost变换器连接的负载电阻调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力。
确定与Boost变换器连接的负载的变化范围，然后根据Boost变换器的输入、输出特性，得到Boost变换器的阻抗变换关系：ZDC＝(1-D)2RL。
对无线电能传输***进行建模，得到二端口网络的参数；
Figure BDA0002298482760000081
根据如下公式调节无线电能传输***的效率ηtrans：
Figure BDA0002298482760000082
其中，
Figure BDA0002298482760000083
Figure BDA0002298482760000084
Figure BDA0002298482760000085
式中，IO表示整流桥输入电流，IIN表示逆变器输出电流，UO表示整流桥输入电压，r(ZRe)表示ZRe的实部，r(ZIN)表示ZIN的实部，ZRe表示整流桥输入阻抗，ZIN表示逆变器输出阻抗，Z12表示LCC-S型补偿网络第一互阻抗，Z22表示LCC-S型补偿网络第二自阻抗，D表示Boost变换器工作占空比，RL表示与Boost变换器连接的负载的电阻，ZM表示原边线圈与副边线圈的互感阻抗，Zp2表示原边补偿电路并联电容的等效阻抗，Zp1表示原边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z1表示原边线圈等效阻抗，Zs1表示副边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z2表示副边线圈等效阻抗；
根据如下公式调节LCC-S型补偿网络的电应力
Figure BDA0002298482760000086
Figure BDA0002298482760000087
其中，
Figure BDA0002298482760000088
Z21＝Z12
式中，UIN表示逆变器输出电压，Z21表示LCC-S型补偿网络第二互阻抗，Z11表示LCC-S型补偿网络第一自阻抗，ZL11表示原边补偿电路串联电感的等效阻抗。
步骤303：根据无线电能传输***的元件参数调节逆变器的输出阻抗角。
根据如下公式调节逆变器的输出阻抗角θ：
Figure BDA0002298482760000091
其中，
Figure BDA0002298482760000092
Figure BDA0002298482760000093
式中，I(ZIN)表示ZIN的虚部，ω表示无线电能传输***工作频率，ω0表示谐振频率，Cp1表示原边补偿电路串联电容，Cp2表示原边补偿电路并联电容，L1表示原边线圈自感；VOUT表示与Boost变换器连接的负载电压值，Ud表示逆变器直流母线电压，M表示原边线圈与副边线圈的互感，Zref表示副边线圈折射到原边线圈的等效阻抗。
进一步的，
Figure BDA0002298482760000094
Figure BDA0002298482760000095
Figure BDA0002298482760000096
Figure BDA0002298482760000097
无线电能传输***线圈的最优负载点Ropt：
Figure BDA0002298482760000098
式中，k为无线能量传输线圈的耦合系数，Q1为原边线圈的品质因数，Q2为副边线圈的品质因数。
本发明通过在副边设置合适的Boost变换器工作占空比D来优化***的效率和补偿网络的应力，通过调节Boost变换器工作占空比D可以改变ZRe，当ZRe发生改变时，无线电能传输***的效率ηtrans、补偿网络的应力Upress_Cs1以及逆变器的输出阻抗角θ均随之变化，因此达到了改善***特性的目的。本发明采用了易于设计的DC/DC变换器(即Boost变换器)，采用的LCC-S型补偿网络具有稳定性高、易定性分析、可解耦性强的特点，在***的设计过程中易实现简化，考虑的***的传输效率、补偿网络电应力、逆变器的输出阻抗角情况均为无线电能传输***在实际应用中所需要考虑的因素，具有普适性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无线电能传输***，其特征在于，包括：
电源、逆变器、LCC-S型补偿网络、整流桥和Boost变换器；
所述逆变器的输入端与所述电源连接，所述逆变器的输出端与所述LCC-S型补偿网络的输入端连接；所述LCC-S型补偿网络的输出端与所述整流桥的输入端连接，所述整流桥的输出端与所述Boost变换器连接。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输***，其特征在于，所述LCC-S型补偿网络，具体包括：
原边补偿电路、无线能量传输线圈和副边补偿电路；
所述原边补偿电路的输入端与所述逆变器的输出端连接；所述原边补偿电路的输出端与所述无线能量传输线圈的输入端连接；所述无线能量传输线圈的输出端与所述副边补偿电路的输入端连接；所述副边补偿电路的输出端与所述整流桥的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的无线电能传输***，其特征在于，所述无线能量传输线圈，具体包括：
原边线圈等效阻抗和副边线圈等效阻抗；所述原边线圈等效阻抗与所述副边线圈等效阻抗耦合连接。
4.根据权利要求3所述的无线电能传输***，其特征在于，所述原边补偿电路，具体包括：
原边补偿电路串联电感的等效阻抗、原边补偿电路串联电容的等效阻抗和原边补偿电路并联电容的等效阻抗；
所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第一端与逆变器的第一输出端连接；所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗的第二端分别与原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端和原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与原边线圈等效阻抗的第一端连接；原边补偿电路并联电容的等效阻抗的第二端分别与逆变器的第二输出端和原边线圈等效阻抗的第二端连接。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输***，其特征在于，所述副边补偿电路，具体包括：
副边补偿电路串联电容的等效阻抗；
副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第一端与副边线圈等效阻抗第一端连接；副边补偿电路串联电容的等效阻抗的第二端与整流桥第一输入端连接；副边线圈等效阻抗第二端与整流桥第二输入端连接。
6.根据权利要求5所述的无线电能传输***，其特征在于，
所述原边线圈等效阻抗，具体包括：原边线圈自感和原边线圈内阻；所述原边线圈自感和所述原边线圈内阻串联连接；
所述副边线圈等效阻抗，具体包括：副边线圈自感和副边线圈内阻；所述副边线圈自感和所述副边线圈内阻串联连接；
所述原边补偿电路串联电感的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路串联电感和原边补偿电路串联电感的内阻；所述原边补偿电路串联电感和所述原边补偿电路串联电感的内阻串联连接；
所述原边补偿电路串联电容的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路串联电容和原边补偿电路串联电容的内阻；所述原边补偿电路串联电容和所述原边补偿电路串联电容的内阻串联连接；
所述原边补偿电路并联电容的等效阻抗，具体包括：原边补偿电路并联电容和原边补偿电路并联电容的内阻；所述原边补偿电路并联电容和所述原边补偿电路并联电容的内阻串联连接；
所述副边补偿电路串联电容的等效阻抗，具体包括：副边补偿电路串联电容和副边补偿电路串联电容的内阻；所述副边补偿电路串联电容和所述副边补偿电路串联电容的内阻串联连接。
7.一种无线电能传输***的优化方法，应用于权利要求1-6任一项所述的无线电能传输***，其特征在于，所述方法包括：
获取无线电能传输***的元件参数以及与Boost变换器连接的负载电阻；所述无线电能传输***的元件参数包括Boost变换器工作占空比和LCC-S型补偿网络参数；
根据所述无线电能传输***的元件参数以及所述与Boost变换器连接的负载电阻调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力。
8.根据权利要求7所述的无线电能传输***的优化方法，其特征在于，所述方法，还包括：
根据所述无线电能传输***的元件参数调节逆变器的输出阻抗角。
9.根据权利要求8所述的无线电能传输***的优化方法，其特征在于，所述根据所述无线电能传输***的元件参数以及所述与Boost变换器连接的负载电阻调节无线电能传输***的效率和LCC-S型补偿网络的电应力，具体包括：
根据如下公式调节所述无线电能传输***的效率ηtrans：
Figure FDA0002298482750000031
其中，
Figure FDA0002298482750000032
Figure FDA0002298482750000033
Figure FDA0002298482750000034
式中，IO表示整流桥输入电流，IIN表示逆变器输出电流，r(ZRe)表示ZRe的实部，r(ZIN)表示ZIN的实部，ZRe表示整流桥输入阻抗，ZIN表示逆变器输出阻抗，Z12表示LCC-S型补偿网络第一互阻抗，Z22表示LCC-S型补偿网络第二自阻抗，D表示Boost变换器工作占空比，RL表示与Boost变换器连接的负载的电阻，ZM表示原边线圈与副边线圈的互感阻抗，Zp2表示原边补偿电路并联电容的等效阻抗，Zp1表示原边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z1表示原边线圈等效阻抗，Zs1表示副边补偿电路串联电容的等效阻抗，Z2表示副边线圈等效阻抗；
根据如下公式调节所述LCC-S型补偿网络的电应力
Figure FDA0002298482750000035
Figure FDA0002298482750000036
其中，
Figure FDA0002298482750000037
Z21＝Z12
式中，UIN表示逆变器输出电压，Z21表示LCC-S型补偿网络第二互阻抗，Z11表示LCC-S型补偿网络第一自阻抗，ZL11表示原边补偿电路串联电感的等效阻抗。
10.根据权利要求9所述的无线电能传输***的优化方法，其特征在于，所述根据所述无线电能传输***的元件参数调节逆变器的输出阻抗角，具体包括：
根据如下公式调节所述逆变器的输出阻抗角θ：
Figure FDA0002298482750000041
其中，
Figure FDA0002298482750000042
Figure FDA0002298482750000043
式中，I(ZIN)表示ZIN的虚部，ω表示无线电能传输***工作频率，ω0表示谐振频率，Cp1表示原边补偿电路串联电容，Cp2表示原边补偿电路并联电容，L1表示原边线圈自感；VOUT表示与Boost变换器连接的负载电压值，Ud表示逆变器直流母线电压，M表示原边线圈与副边线圈的互感，Zref表示副边线圈折射到原边线圈的等效阻抗。
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