基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，为了解决传统的两段式充电峰值功率过大的问题，该方法在蓄电池恒流充电向恒压充电切换时，引入恒功率充电阶段；同时为确保系统安全运行和传输的高效率，对原边谐振网络的输入电流和逆变器的移相角进行限制，利用这三个充电阶段以及安全运行范围分别限定两耦合线圈电感的参数关系，从而确定两耦合线圈电感的取值范围，为谐振网络参数设计提供了一种可靠的设计准则，确保了蓄电池充电过程的安全高效性。本发明专利技术满足了磁耦合谐振式无线电能传输系统用于蓄电池全范围充电的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，具体涉及一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输技术依照其实现原理可分为近场与远场两大类。近场技术易于实现更高的效率和更大的功率，因而被广泛的应用于电动汽车、智能设备、机器人、无人机、植入式医疗等设备的无线充电，而近场技术中的磁耦合谐振技术能够更好地满足性能要求。在对常用的蓄电池进行充电时，无线充电机对其充电特性有以下几个需求：1)恒定的充电电流。蓄电池充电过程的第一阶段是恒流充电，充电器以最大的电流对蓄电池进行恒流充电，蓄电池充电电压逐渐上升。2)恒定的最大充电功率。蓄电池充电过程的第二阶段是功率充电，充电器以最大的功率对蓄电池进行恒功率充电，蓄电池充电电压逐渐上升。3)恒定的充电电压。蓄电池充电过程的第三阶段是恒压充电，充电器以最大的电压对蓄电池进行恒压充电，蓄电池充电电流逐渐减小直至浮充状态。4)安全的运行电流。对整个无线电能传输系统而言，为确保系统安全运行，需对输入电流设置安全上限。5)合理的总谐波畸变率(THD)。为确保无线电能传输系统原边逆变器
输出方波的THD值不至于过大以及获得较高的传输效率，需对前级逆变器的移相角设置下限。由于对蓄电池进行充电时原副边线圈位置已固定，故在整个充电过程中可将系统两谐振线圈的耦合系数视为定值，且蓄电池在充电过程中电压电流随时间不断变化，故可将其充电过程视为一个随时间变化的可变电阻，在无线电能传输过程中负载电阻的变化将对系统的各项输出特性产生影响，同时为实现安全运行的要求，需要一套合理的谐振网络的参数使无线电能传输系统在以上三种不同的充电状态下满足相应的输出特性以及安全要求。然而目前的参数设计方法仅针对固定的负载电阻或根据经验选取谐振网络参数，尚未有将蓄电池的上述充电特性结合起来的参数设计方法的论述。因此，需要一种能够满足蓄电池充电特性以及安全要求的参数设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，可满足蓄电池三段式充电特点及安全要求。为达到上述目的，本专利技术所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电
阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：谐振网络的互导增益大于等于蓄电池恒流充电时谐振网络中副边的谐振电流有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输出交流基波电压有效值由直流侧输入电压与逆变器移相角确定。谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：谐振网络的电压增益大于等于蓄电池恒压充电时整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电压由蓄电池本身特性决定。谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件具体为：谐振网络的的输出功率大于等于蓄电池的额定功率。蓄电池充电过程中，谐振网络的互阻增益大于等于整流器桥臂中点电压基波有效值与谐振网络中原边的谐振电流之比，谐振网络中原边的谐
振电流的最大值由系统电流限幅值决定。当逆变器移相角最小时，谐振网络的电压增益小于等于整流器桥臂中点电压基波有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，谐振网络的互导增益小于等于谐振网络中副边的谐振电流与逆变器输出交流基波电压有效值的最小值之比。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法在具体操作时，通过获取蓄电池不同充电阶段中谐振网络中耦合线圈电感的边界条件，同时获取蓄电池整个充电过程中谐振网络中耦合线圈电感的边界条件，再以各边界条件的交集作为中耦合线圈电感值的取值范围，从而将系统的输出特性与蓄电池的充电特性结合起来，同时在蓄电池的恒流充电阶段与恒压充电阶段增加恒功率充电阶段，即增加以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，同时对谐振网络的输入电流及逆变器进行移相调压时的移相角进行限定。在所有限定条件满足下，选择合适的耦合电感值，从而满足蓄电池的充电特点及安全要求。附图说明图1为本专利技术中原边串联副边串联的磁耦合谐振无线电能传输系统的结构图；图2(a)为理想蓄电池充电曲线图；图2(b)为受最大功率限制的蓄电池充电曲线图；图3(a)谐振网络的互导增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率
标幺值的变化图；图3(b)为谐振网络的电压增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；图3(c)为谐振网络的输出功率在等效电阻一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；图3(d)为谐振网络的互阻增益在耦合系数一定时随逆变器的开关频率标幺值的变化图；图4为实施例一中得到的耦合电感值的边界条件图；图5(a)为在A点进行恒流充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；图5(b)为在B点进行恒功率充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；图5(c)为在C点进行恒功率充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图；图5(d)为在D点进行恒压充电时充电电压、充电电流以及充电功率在稳态时随时间变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小
电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值π/4，以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。需要说明的是，谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：谐振网络的互导增益大于等于蓄电池恒流充电时谐振网络中副边的谐振电流有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。

【技术特征摘要】
1.一种基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在蓄电池恒流充电阶段，以谐振网络的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以谐振网络的最小电压增益为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池恒流充电阶段向恒压充电阶段过渡的过程中，即在蓄电池恒功率充电阶段，以大于等于谐振网络的额定功率为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件，在蓄电池整个充电过程中，以谐振网络的输入电流小于等于谐振网络的安全电流为谐振网络中耦合线圈电感的第四边界条件；在整个充电过程中逆变器进行移相调压时的移相角大于等于预设值以谐振网络的最大电压增益与谐振网络的最大互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第五边界条件，将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件、第三边界条件、第四边界条件及第五边界条件交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。2.根据权利要求1所述的基于SS拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：谐振网络的互导增益大于等于蓄电池恒流充电时谐振网络中副边的谐振电流有效值与逆变器输出交流基波电压有效值之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃，蒋勇斌，刘铭，刘军文，宁改娣，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61