CN112018905B - 一种lccl-lc无线电能传输***的参数整定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LCCL‑LC无线电能传输***的参数整定方法，该方法根据传输功率的要求选择合适的发射和接收线圈，通过确定原边发射线圈电感与谐振电感的关系，计算电感的比值具体值，从而确定谐振电感的值，通过电路谐振关系，确定其他补偿电容。本发明具有快速准确确定LCCL‑LC无线电能***参数的作用，该方法设计的LCCL‑LC***具有恒压输出，传输效率高，全负载范围内稳定高效工作的优点；通过本方法，能根据实际传输功率的需要快速设计***参数，满足工程应用需要。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法。
背景技术
磁耦合谐振无线电能传输(MCRWPT)具有传输功率水平高、传输效率高、安全性好和适用性强的优点，是目前无线电能传输的热点，有着广阔的应用前景。由于磁耦合谐振式无线电能传输发射线圈和接收线圈是松耦合的，耦合系数较小，这严重影响了能量传输的效率；为了提高传输效率，补偿网络的加入显得尤为重要。
在实际应用中，无线电能传输应具备恒压，稳定，高效的特点，而基本类型的补偿网络无法满足在负载变化时稳定传输的需求，因此，复杂的高阶补偿网络成为研究的方向，包括LCL型，LLCL型和LCCL型等；其中LCCL型已被证明是一种可行的方案。但是，由于高阶补偿网络器件多，结构复杂，如何快速确定电路参数，实现高效稳定大功率的能量传输，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，用以快速确定电路参数，从而实现高效稳定大功率的能量传输。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，包括：
对LCCL-LC无线电能传输***进行建模分析，将副边的总阻抗通过互感折算到原边；根据额定输出功率要求，选择合适的发射线圈与接收线圈，并确定原边的发射线圈电感与谐振电感的关系，继而确定谐振电感的电感值；由所述LCCL-LC无线电能传输***电路的谐振关系，确定谐振电容、补偿电容的值；
所述LCCL-LC无线电能传输***电路包括输入滤波电容Cin、高频功率变换电路、LCCL补偿网络、补偿电容CR、高频整流电路以及输出滤波电容，其中，输入直流电源Vin与输入滤波电容Cin并联，输入滤波电容Cin后接全桥高频功率变换电路，全桥高频功率变换电路连接到原边的LCCL补偿网络；LCCL补偿网络包含谐振电感LP，第一谐振电容CP、第二谐振电容CT和发射线圈电感LT，副边的接收线圈电感LR连接补偿电容CR，然后与高频整流电路连接，高频整流电路经过输出滤波电容，与负载相连；
所述发射线圈电感LT与谐振电感LP的关系为Lp＝αLT，其中，系数α的取值范围为(0,1)，表达式为：
其中Uin1为第一谐振电容CP上的电压值，RL为额定负载值，Pout为额定输出功率，ω为***的工作频率，M为发射线圈与接收线圈的互感值，k为发射线圈与接收线圈的耦合系数。
进一步地，所述第一谐振电容CP上的电压值Uin1表示为：
上式中，Uin为高频功率变换电路的输入直流电压值，n为奇数。
进一步地，由所述LCCL-LC无线电能传输***电路的谐振关系，确定谐振电容、补偿电容CR的值，包括：
计算得到谐振电感LP的值之后，第一谐振电容CP的值由其与谐振电感LP的谐振关系计算，第二谐振电容CT的值由其与第一谐振电容CP和发射线圈电感LT的谐振关系计算；补偿电容CR由其与接收线圈电感LR的谐振关系计算。
进一步地，所述全桥高频功率变换电路由四个规格相同的MOSFET开关管组成，所述高频整流电路由四个规格相同的高频整流二极管组成。
进一步地，所述发射线圈和接收线圈均采用规格相同的圆柱形螺旋线圈。
进一步地，在计算补偿电容CR值时，副边选取的谐振频率与原边的一致。
进一步地，通过调制高频功率变换电路的工作频率大于LCCL补偿网络的谐振频率，使补偿网络工作在感性区，从而使得高频功率变换电路中的四个MOSFET开关管工作在软开关状态，提高***的传输效率。
进一步地，所述参数整定方法在使用时，相应的给定条件为输入直流电源Vin，***工作频率ω，额定负载值RL和额定输出功率Pout，和一对适用于该额定输出功率条件下，规格相同，互感值已知、电感值确定的圆柱形螺旋线圈作为发射线圈和接收线圈。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
1.本发明提供的参数整定方法，使电路的参数设计快速准确，在给定必要的***参数情况下，能快速确定合适的补偿网络参数。
2.基于本方法设计的LCCL-LC***，能实现发射线圈的恒流输出，接收线圈的恒压输出；在负载变化时稳定性好，在全负载状态下都能保持稳定高效输出；能有效实现开关管的ZVS，提高***的传输效率。在传输距离在一定范围内变化时，均能保持较高的传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的LCCL-LC无线电能传输***的电路结构图；
图2为本发明实施例中提供的LCCL-LC无线电能传输参数整定方法具体步骤流程图；
图3为本发明实施例中试验样机传输效率随距离变化的曲线图。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供了一种LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，通过揭示发射线圈电感与谐振电感的数量关系，由谐振条件计算谐振电容的值，完成电路的参数整定。本发明的技术方案是：
对LCCL-LC无线电能传输***进行建模分析，将副边的总阻抗通过互感折算到原边；根据额定输出功率要求，选择合适的发射线圈与接收线圈；例如根据给定的传输功率，在设定的传输距离下选择能满足该传输功率需求的线圈。本实施中，发射线圈和接收线圈均采用规格相同的圆柱形螺旋线圈。
确定发射线圈电感与谐振电感的电感值的数量关系，进而确定谐振电感的电感值；由LCCL-LC无线电能传输***电路补偿器件间的谐振关系，确定补偿电容的值；使高频功率变换电路中的开关管工作在软开关状态，提高***的效率。
所述LCCL-LC无线电能传输***的电路参见图1，包括输入滤波电容、高频功率变换电路、LCCL补偿网络、补偿电容CR、高频整流电路以及输出滤波电容Cin，其中，输入直流电源Vin与输入滤波电容Cin并联，输入滤波电容Cin后接由四个规格相同的MOSFET开关管组成的全桥高频功率变换电路，全桥高频功率变换电路连接到原边的LCCL补偿网络；LCCL补偿网络包含谐振电感LP，第一谐振电容CP、第二谐振电容CT和发射线圈电感LT，副边的接收线圈连接补偿电容CR，然后与四个规格相同的高频整流二极管组成的高频整流电路连接，高频整流电路经过输出滤波电容，与负载相连。
对电路进行基尔霍夫电流定理(KCL)和基尔霍夫电压定理(KVL)的分析，当电路处在谐振状态时，补偿器件之间的关系为：
上式中，CT为第二谐振电容，CP为第一谐振电容，LP为谐振电感，LT为发射线圈电感；
发射线圈电感LT和谐振电感LP关系为：
Lp＝αLT
其中α取值范围为(0,1)。
由电路分析，得α的表达式为：
其中Uin1为LCCL补偿网络中第一谐振电容CP上的电压值，RL为额定负载值，Pout为额定输出功率，ω为***的工作频率，M为发射线圈与接收线圈的互感值，k为发射线圈与接收线圈的耦合系数。
其中，Uin1的表达式为：
上式中，Uin为高频功率变换电路的输入直流电压值，n为奇数。
由此，计算谐振电感LP的值，进而，第一谐振电容CP的值由其与谐振电感LP的谐振关系计算。第二谐振电容CT的值由其与第一谐振电容CP和发射线圈电感LT的谐振关系计算；接收端补偿电容CR由其与接收线圈电感LR的谐振关系计算；在计算补偿电容CR值时，接收端和发射端的谐振频率值相同，即副边选取的谐振频率与原边的一致。
通过调制高频功率变换电路的工作频率略大于LCCL补偿网络的谐振频率，使补偿网络工作在感性区，使高频功率变换电路中的四个MOSFET开关管工作在软开关状态，提高***的传输效率。
在使用参数整定方法时，相应的给定条件为输入直流电源Vin，***工作频率ω，额定负载值RL和额定输出功率Pout，和一对适用于该额定输出功率条件下，规格相同，互感值已知、电感值确定的圆柱形螺旋线圈作为发射线圈和接收线圈。
实施例：
本实施例提供的一种LCCL-LC无线电能传输***结构图如图1所示，电路结构包括输入滤波电容、高频功率变换电路、LCCL补偿网络、发射线圈、接收线圈，补偿电容，高频整流电路，负载。
市电经过整流，由输入滤波电容滤波，输入高频功率变换电路，高频功率变换电路输出频率一定的高频交流电，经过LCCL补偿网络补偿，为发射线圈提供高频交流电，电能通过电磁感应传输到副边的接收线圈，接收线圈与补偿电容谐振，提高传输的功率和效率，与接收线圈和补偿电容连接的高频整流电路将交流电整流为直流电，经过输出电容滤波，为负载提供电能。
依照本发明方法设计了一台传输功率为300W的LCCL-LC无线电能传输***，用以验证本方法的可行性与优点。***的设计指标如表1所示。
表1无线电能传输***设计指标
不同负载下接收线圈电压与***实测效率见表2，不同距离下，实测传输效率如图3所示。样机测试结果表明，依据本方法设计的LCCL-LC无线电能传输***，能在全负载范围内稳定高效工作，传输功率达到设计标准，线圈距离在一定范围内变化时能保持较高的传输效率，验证了本发明方法的可行性和优良效果。
表2不同负载下接收线圈电压与***实测效率
| 负载/Ω | 25 | 50 | 75 |
| 接收端电压/V | 86.64 | 87.86 | 88.08 |
| ***传输效率 | 93.07％ | 94.13％ | 93.51％ |
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，包括：
对LCCL-LC无线电能传输***进行建模分析，将副边的总阻抗通过互感折算到原边；根据额定输出功率要求，选择合适的发射线圈与接收线圈，并确定原边的发射线圈电感与谐振电感的关系，继而确定谐振电感的电感值；由所述LCCL-LC无线电能传输***电路的谐振关系，确定谐振电容、补偿电容CR的值；
所述LCCL-LC无线电能传输***电路包括输入滤波电容Cin、高频功率变换电路、LCCL补偿网络、补偿电容CR、高频整流电路以及输出滤波电容，其中，输入直流电源Vin与输入滤波电容Cin并联，输入滤波电容Cin后接全桥高频功率变换电路，全桥高频功率变换电路连接到原边的LCCL补偿网络；
LCCL补偿网络包含谐振电感LP，第一谐振电容CP、第二谐振电容CT和发射线圈电感LT，副边的接收线圈电感LR连接补偿电容CR，然后与高频整流电路连接，高频整流电路经过输出滤波电容，与负载相连；
所述发射线圈电感LT与谐振电感LP的关系为Lp＝αLT，其中，系数α的取值范围为(0,1)，表达式为：
其中Uin1为第一谐振电容CP上的电压值，RL为额定负载值，Pout为额定输出功率，ω为***的工作频率，M为发射线圈与接收线圈的互感值，k为发射线圈与接收线圈的耦合系数。
2.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，所述第一谐振电容CP上的电压值Uin1表示为：
上式中，Uin为高频功率变换电路的输入直流电压值，n为奇数。
3.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，由所述LCCL-LC无线电能传输***电路的谐振关系，确定谐振电容、补偿电容CR的值，包括：
计算得到谐振电感LP的值之后，第一谐振电容CP的值由其与谐振电感LP的谐振关系计算，第二谐振电容CT的值由其与第一谐振电容CP和发射线圈电感LT的谐振关系计算；补偿电容CR由其与接收线圈电感LR的谐振关系计算。
4.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，所述全桥高频功率变换电路由四个规格相同的MOSFET开关管组成，所述高频整流电路由四个规格相同的高频整流二极管组成。
5.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均采用规格相同的圆柱形螺旋线圈。
6.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，在计算补偿电容CR值时，副边选取的谐振频率与原边的一致。
7.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，通过调制高频功率变换电路的工作频率大于LCCL补偿网络的谐振频率，使补偿网络工作在感性区，从而使得高频功率变换电路中的四个MOSFET开关管工作在软开关状态，提高***的传输效率。
8.根据权利要求1所述的LCCL-LC无线电能传输***的参数整定方法，其特征在于，所述参数整定方法在使用时，相应的给定条件为输入直流电源Vin，***工作频率ω，额定负载值RL和额定输出功率Pout，和一对适用于该额定输出功率条件下，规格相同，互感值已知、电感值确定的圆柱形螺旋线圈作为发射线圈和接收线圈。
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