復(fù)合諧振式ecpt系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及一種復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè) 計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸技術(shù)（WirelessPowerTransfer，WPT)實現(xiàn)了電源到負(fù)載的無線供 電，擺脫了直接電接觸對設(shè)備的束縛。電場親合無線電能傳輸（Electric-fieldCoupled PowerTransfer，ECPT)技術(shù)以其輕便、低福射、親合機(jī)構(gòu)多樣等優(yōu)點成為無線電能傳輸領(lǐng) 域新的研究熱點。國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞移動機(jī)器人，生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備，3D絕緣硅超大規(guī)模 集成電路，無線充電器及電動汽車等諸多應(yīng)用領(lǐng)域展開研究。
[0003] 但現(xiàn)有的ECPT系統(tǒng)設(shè)計大多關(guān)注單一負(fù)載的電能無線傳輸，關(guān)于多個負(fù)載同時 工作的ECPT系統(tǒng)還未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。對于有多個負(fù)載工作的系統(tǒng)，其中任意一個或多個 負(fù)載可能會隨機(jī)變化，特別是負(fù)載的投入或切除，都將會影響系統(tǒng)中正在工作的負(fù)載的輸 出電壓或電流從而造成輸出的不穩(wěn)定，并且會引起耦合機(jī)構(gòu)的激勵電壓不穩(wěn)定從而影響系 統(tǒng)的傳輸性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了使得系統(tǒng)的輸出電壓或電流以及耦合機(jī)構(gòu)激勵電壓不會隨著負(fù)載的變化而 變化，即要求系統(tǒng)具有負(fù)載無關(guān)性，本發(fā)明提出了一種復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)，以系統(tǒng)需要 恒流輸出特性的應(yīng)用場合為例，構(gòu)建了以n型CLC為原邊諧振網(wǎng)絡(luò)、T型CLC為副邊諧振網(wǎng) 絡(luò)的適用于動態(tài)多負(fù)載的復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)，消除了多個負(fù)載投切過程中的相互影響， 具體的技術(shù)方案如下：
[0005] -種復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)，由一個發(fā)射系統(tǒng)和多個拾取系統(tǒng)構(gòu)成，所述發(fā)射系統(tǒng) 包括整流調(diào)壓電路、高頻逆變電路、原邊諧振網(wǎng)絡(luò)、原邊補(bǔ)償電路和發(fā)射電極，所述拾取系 統(tǒng)包括拾取電極、副邊諧振網(wǎng)絡(luò)、整流濾波電路以及用電負(fù)載，所述發(fā)射電極采用陣列式發(fā) 射電極，所述拾取電極采用兩塊獨立的電極板構(gòu)成，拾取電極與發(fā)射電極之間通過電場耦 合實現(xiàn)無線電能傳輸，其關(guān)鍵在于：所述原邊諧振網(wǎng)絡(luò)是由電容Cnl、電容Cn2以及電感L" 構(gòu)成的n型CLC網(wǎng)絡(luò)，所述副邊諧振網(wǎng)絡(luò)是由電容Ctl、電容Ct2以及電感1^構(gòu)成的T型CLC 網(wǎng)絡(luò)；
[0006] 所述n型CLC網(wǎng)絡(luò)中A=Zf，乙表示電感U的感抗，表示電容ctl的 容抗，網(wǎng)絡(luò)的歸一化角頻率為1，電容Cnl與電容Cn2的容值比為1 ;
[0007] 所述T型CLC網(wǎng)絡(luò)中, 2；表示電感1^的感抗，I分 i {L i2 -I"(-Y.1 C.-,〇 別表示電容ctl與電容ct2的容抗，網(wǎng)絡(luò)的歸一化角頻率
At為電容ctl與 電容ct2的容值比。
[0008] 針對高頻逆變電路輸出電流的諧波引起的環(huán)流問題，在所述高頻逆變電路和原邊 諧振網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置有諧波抑制電路，所述諧波抑制電路由電感Lf，電容Cf以及電感Ly構(gòu)成， 其中電感Lf與電容Cf并聯(lián)形成帶通濾波器連接在高頻逆變電路的兩個輸出端之間，電感Ly 串接在電容Cf與電容Cnl的一端之間。
[0009] 為了保證電壓和電流的倍升能力，本發(fā)明還提出了一種復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)的 參數(shù)設(shè)計方法，具體按照以下步驟進(jìn)行：
[0010] 步驟1 :選定激勵電壓vn2以及工作頻率f;
[0011] 步驟2 :設(shè)定每個拾取系統(tǒng)的用電負(fù)載的額定阻值Ri以及額定電流需求I
[0012] 步驟3 :根據(jù)T型CLC網(wǎng)絡(luò)在| = #% | + |狀態(tài)下的特性計算每個拾取系統(tǒng) 副邊諧振網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)，包括電容Ctl、電容Ct2以及電感Lt;
[0013] 步驟4 :根據(jù)所有拾取系統(tǒng)同時工作時n型CLC網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素計算電容cn2的 容值；
[0014] 步驟5 :判斷只有一個拾取系統(tǒng)工作時n型CLC網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素Q"i是否使得電 容Cnl的電壓不低于S諧波的電壓值，如果是，則進(jìn)入步驟6,否則返回步驟2調(diào)整拾取系 統(tǒng)的用電負(fù)載R以及電流需求
[0015] 步驟6 :根據(jù)n型CLC網(wǎng)絡(luò)在.|Z& | =jZq|狀態(tài)下的特性計算原邊諧振網(wǎng)絡(luò)的元 件參數(shù)，包括電容cnl以及電感L
[0016] 步驟7 :計算原邊諧振網(wǎng)絡(luò)的電流輸入Iin和所需的直流輸入I
[0017] 步驟8 :判斷諧波抑制條件是否滿足，如果滿足，則驗證元件參數(shù)，電路設(shè)計結(jié)束； 否則返回步驟2,調(diào)整拾取系統(tǒng)的用電負(fù)載民以及電流需求I
[0018] 進(jìn)一步地，步驟3中，T型CLC網(wǎng)絡(luò)在|Z/(| = |ZQ| + |Ze:|狀態(tài)下，輸出
可絡(luò)增孟
T型CLC網(wǎng)絡(luò) 的品質(zhì)因數(shù)且QT= 1/(?。(^2民）。
[0019] 本發(fā)明的顯著效果是：
[0020] 本發(fā)明提出了一種發(fā)射端采用n型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)，拾取側(cè)采用T型CLC諧振網(wǎng)絡(luò) 的復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)主要的參數(shù)設(shè)計方法，系統(tǒng)運行中，當(dāng)某個負(fù)載發(fā)生 隨機(jī)變化時，不會影響到該負(fù)載以及其他負(fù)載的輸出電流和耦合機(jī)構(gòu)激勵電壓；針對逆變 器引起的環(huán)流問題，設(shè)計了相應(yīng)的諧波抑制電路，有效地降低了三次五次諧波幅值。
【附圖說明】
[0021] 圖1是復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)的電路原理框圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖3是T型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖；
[0024] 圖4是n型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖；
[0025] 圖5是諧波抑制電路的電路原理圖；
[0026] 圖6是系統(tǒng)的伯德圖；
[0027] 圖7是系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計流程圖；
[0028] 圖8是三負(fù)載運行的仿真波形；
[0029] 圖9是單負(fù)載運行的仿真波形；
[0030] 圖10是n型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)運行時的實驗波形；
[0031] 圖11是T型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)運行時的實驗波形。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 如圖1所示為一種適用于動態(tài)多負(fù)載的復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)的原理框圖，發(fā)射系 統(tǒng)由整流調(diào)壓電路、高頻逆變電路、原邊諧振網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償電路和陣列發(fā)射電極P組成，拾取 系統(tǒng)由拾取電極31和52、副邊諧振網(wǎng)絡(luò)、整流濾波電路和用電負(fù)載組成，拾取系統(tǒng)可以有多 個，數(shù)量取決于發(fā)射電極P的面積。工頻電通過整流調(diào)壓電路后，由高頻逆變電路形成交變 電壓，再經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償電路后激勵發(fā)射電極P產(chǎn)生高頻電場，發(fā)射電極P由多個子電 極組成以提升拾取系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)有多個拾取系統(tǒng)放置在電極P上時，僅給與拾取電極 相耦合的子電極供電。從圖中可以看出，交變電場在拾取電極SJPS2±感應(yīng)出電勢差，再 經(jīng)由整流濾波環(huán)節(jié)之后供電給負(fù)載。為了提升傳輸功率，原邊諧振網(wǎng)絡(luò)將逆變電路的輸出 電壓抬升至更高等級的激勵電壓；為了減小流經(jīng)補(bǔ)償電路的電流以降低損耗，副邊諧振網(wǎng) 絡(luò)作用是提升輸出電流，PJPSJPjPS2)組成一對集總電容，由于容值較小因而需要補(bǔ)償 電路以減弱高容抗對能量傳輸?shù)淖璧K。
[0034] 圖2為適用于需要恒定電流輸出特性應(yīng)用場合的復(fù)合諧振式ECPT系統(tǒng)，工頻市電 通過整流調(diào)壓電路和電流型逆變電路，在控制器的調(diào)節(jié)下為后級電路提供恒幅恒頻的方波 電流。
[0035] 從圖2可以看出，原邊諧振網(wǎng)絡(luò)是由電容Cnl、電容Cn2以及電感Ln構(gòu)成的n型 CLC網(wǎng)絡(luò)，副邊諧振網(wǎng)絡(luò)是由電容Ctl、電容Ct2以及電感Lt構(gòu)成的T型CLC網(wǎng)絡(luò)，圖中Ctl」、 (；12和Ltl組成第1個拾取系統(tǒng)的T型CLC網(wǎng)絡(luò)，Ctjl、Ctj_#PLtj組成第j個拾取系統(tǒng)的T 型CLC網(wǎng)絡(luò)，為了簡化逆變器驅(qū)動電路的設(shè)計，系統(tǒng)采用定頻控制。當(dāng)某一個拾取系統(tǒng)投切 時，總的等效耦合電容將發(fā)生改變，此時需調(diào)節(jié)可變調(diào)諧電感k與總等效耦合電容處于諧 振狀態(tài)，有關(guān)子電極的定位切換控制與調(diào)諧電感的調(diào)節(jié)的具體方法可參見文獻(xiàn)：ChaoL，Hu AP,WangB,etal.ACapacitivelyCoupledContactlessMatrixChargingPlatform WithSoftSwitchedTransformerControl[J].IEEETransactionsonIndustrialElec tronics, 2013, 60(1):249-260.
[0036] 圖2中右邊虛框所示為用于拾取系統(tǒng)的T型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)。以拾取系統(tǒng)1為例， 拾取電壓用Vin表示，則拾取系統(tǒng)可表示為圖3,其中Ctl、Ct2、Lt，分別對應(yīng)于Ctll、Ctl2、Ltl， 根據(jù)支路之間的阻抗關(guān)系，諧振網(wǎng)絡(luò)可分為三種工作模態(tài)：
[0037]
[0038] 其中z,、Zq、分別表示電感Lt、電容Ctl、Ct2的電抗。
[0039] T型CLC諧振網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)渖详P(guān)于電感Lt對稱，在電氣特性上模態(tài)一和模態(tài)三具有 對稱性，因此以下僅分析模態(tài)一和模態(tài)二