基于双侧LC网络的ECPT系统及其参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双侧LC网络的ECPT系统，在系统的发射端应用并联型LC网络，将全桥逆变电路的输出电压提升至耦合机构所需的高压值，在系统的接收端应用串联型LC网络，将输出阻值进行阻抗变换，达到在相同耦合机构激励电压条件下，系统的传输功率和效率更高，并在此基础上提出了该系统的参数设计方法；在相同的传输功率前提下，本发明专利技术与现有的高阶ECPT系统相比，系统的传输效率更高和参数敏感性更低。

【技术实现步骤摘要】
基于双侧LC网络的ECPT系统及其参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种基于双侧LC网络的ECPT系统及其参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术借助磁场、电场、微波、声波等介质作为能量载体来传输电能，目前已经受到国内专家学者的广泛关注，并在电动车、家用电器、医疗器械、水下探测、智能家居等多个领域取得了诸多成果。ECPT(Electric-fieldCoupledPowerTransfer)，又称为CPT(CapacitivePowerTransfer)、CCPT(CapacitivelyCoupledPowerTransfer)系统是一种以金属极板作为耦合机构，高频电场为能量载体的无线电能传输方式。系统的耦合机构可以采用轻薄的铜箔或铝箔来构成，因此具有轻便、对周围导体不会产生涡流损耗、电磁兼容性较好等诸多优点，在电动车充/供电、便携式电子产品充电，LED照明等诸多领域有很好的应用前景。目前国内外的专家学者在ECPT系统的高频逆变器设计、耦合机构的补偿、输出稳压控制、谐振拓扑、能量与信号并行传输、传输间距扩增等方面已获得了众多的研究成果。在传输距离提升方面，现有的ECPT系统已经取得了较大的突破，然而大多数系统存在拓扑结构复杂以及传输特性对参数变化较敏感的问题。
技术实现思路
本申请通过提供一种基于双侧LC网络的ECPT系统及其参数设计方法，以解决现有技术中高阶ECPT系统中的多个谐振元件所造成的拓扑复杂以及参数敏感的技术问题，在相同输出功率条件下，所提供系统的传输效率比现有高阶系统更高。为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：一种基于双侧LC网络的ECPT系统，包括直流电源、全桥逆变电路、并联型LC网络、由两对耦合极板构成的电场耦合结构、串联型LC网络、整流滤波电路以及负载，其中，所述直流电源连接所述全桥逆变电路，为所述全桥逆变电路提供直流电，所述并联型LC网络由谐振电感L1与谐振电容C1构成，所述谐振电感L1的一端连接所述全桥逆变网络的第一输出端，所述谐振电感L1的另一端通过所述谐振电容C1连接所述全桥逆变网络的第二输出端，在所述谐振电容C1的两端各自连接有一块发射极板，所述串联型LC网络由谐振电感L2与谐振电容C2构成，在所述谐振电容C2的两端各自连接有一块接收极板，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，所述谐振电容C2的一端通过所述谐振电感L2连接所述整流滤波电路的第一输入端，所述谐振电容C2的另一端连接所述整流滤波电路的第二输入端，在所述整流滤波电路的两个输出端之间连接所述负载。为了减小电感的电磁干扰、体积与重量，所述谐振电感L1、谐振电感L2均采用磁芯绕制。一种基于双侧LC网络的ECPT系统的参数设计方法，包括如下步骤：S1：按权利要求1所述的电路拓扑结构构建一种基于双侧LC网络的ECPT系统，设定负载阻值RL、输出功率Pout、系统运行频率f以及耦合机构等效电容Cs；S2：计算所述串联型LC网络的效率η2；S3：判断η2是否大于设定的效率阈值，如果是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S4，这里的效率阈值通常根据实际的工程经验来选取；S4：在所述整流滤波电路后配置有源阻抗变换电路以调节等效输出负载Re，随后跳转至步骤S2；S5：计算阻值增益Gr；S6：计算串联型LC网络的谐振电容C2和谐振电感L2；S7：由所述全桥逆变电路中MOSFET管的极限漏源电压、谐振电感L1的上限电感值及并联型LC网络输入电流的全谐波畸变率共同确定电压增益GV，式中，m代表谐波的阶数，n取值大于7即可包括谐波中90％以上的能量；S8：计算并联型LC网络的谐振电容C1和谐振电感L1；S9：计算直流电压输入Udc。S10：确定最终系统参数。进一步地，步骤S2中所述串联型LC网络的效率式中，Pin2为注入接收单元的输入功率，Ue为串联型LC网络的等效输出电压，Ploss2为电感的损耗功率，Re为整流滤波电路与负载RL的等效交流电阻，即等效输出负载，Re＝8RL/π2。进一步地，步骤S5中串联型LC网络的阻值增益式中，R2p为Rp极小值对应的接收单元等效输入电阻的阻值，RCs为耦合机构的介质损耗等效电阻的阻值，γ为介质损耗正切值，ω为系统的工作角频率，ω＝2πf。进一步地，步骤S6中串联型LC网络的谐振电容谐振电感进一步地，步骤S8中并联型LC网络的谐振电容谐振电感式中，Rp为耦合机构与接收单元的串联等效电路的并联等效电路对应的接收单元等效输入电阻的阻值，R2为耦合机构与接收单元的串联等效电路的接收单元的等效输入电阻的阻值。进一步地，步骤S9中式中，Ud为耦合机构激励电压。进一步地，步骤S4中在所述整流滤波电路后配置buck、boost或者buck-boost中的任一种有源阻抗变换电路以调节等效输出负载Re。与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：在保证传输距离、功率和效率的前提下，使得系统的复杂度和参数敏感性有效地降低。附图说明图1为双侧LC网络的ECPT系统拓扑结构；图2为双侧LC网络的ECPT系统等效电路图；图3(a)为耦合机构与接收单元的串联等效电路图；图3(b)为耦合机构与接收单元的串联等效电路的并联等效电路图；图4(a)为串联型LC网络的拓扑结构图一；图4(b)为串联型LC网络的拓扑结构图二；图5(a)为不同耦合机构等效电容和等效输出负载对应的串联型LC网络谐振电容C2参数的分布规律图；图5(b)为不同耦合机构等效电容和等效输出负载对应的串联型LC网络谐振电感L2参数的分布规律图；图5(c)为不同耦合机构等效电容和等效输出负载对应的串联型LC网络阻值增益Gr参数的分布规律图；图5(d)为不同耦合机构等效电容和等效输出负载对应的串联型LC网络效率η2参数的分布规律图；图6(a)为串联型LC网络输入阻抗的敏感性图；图6(b)为串联型LC网络输入相角的敏感性图；图7(a)为并联型LC网络的拓扑结构图一；图7(b)为并联型LC网络的拓扑结构图二；图8为并联型LC网络的电压增益与电感损耗和效率η1的关系图；图9(a)为并联型LC网络的元件参数对输入阻抗的影响图；图9(b)为并联型LC网络的元件参数对输入相角的影响图；图9(c)为并联型LC网络的元件参数对电压增益的影响图；图10为并联型LC网络的THD及谐振电感L1与电压增益的关系图；图11为本专利技术的参数设计方法流程图；图12为本专利技术的谐振电容C1端电压与输出电压的仿真波形图；图13为基于双侧LC谐振网络的ECPT系统拓扑结构；图14为基于双侧LC谐振网络的ECPT系统的仿真波形图；图15(a)为本专利技术的逆变器输出电压和电流的实验波形图；图15(b)为本专利技术的谐振电容C1端电压与输出电压的实验波形图。具体实施方式本申请实施例通过提供一种基于双侧LC网络的ECPT系统及其参数设计方法，以解决现有技术中高阶ECPT系统中的多个谐振元件所造成的拓扑复杂以及参数敏感的技术问题。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。一种基于双侧LC网络的ECPT系统，包括直流电源、全桥逆变电路、并联型LC网络、由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双侧LC网络的ECPT系统，其特征在于，包括直流电源、全桥逆变电路、并联型LC网络、由两对耦合极板构成的电场耦合结构、串联型LC网络、整流滤波电路以及负载，其中，所述直流电源连接所述全桥逆变电路，为所述全桥逆变电路提供直流电，所述并联型LC网络由谐振电感L

【技术特征摘要】
1.一种基于双侧LC网络的ECPT系统，其特征在于，包括直流电源、全桥逆变电路、并联型LC网络、由两对耦合极板构成的电场耦合结构、串联型LC网络、整流滤波电路以及负载，其中，所述直流电源连接所述全桥逆变电路，为所述全桥逆变电路提供直流电，所述并联型LC网络由谐振电感L1与谐振电容C1构成，所述谐振电感L1的一端连接所述全桥逆变网络的第一输出端，所述谐振电感L1的另一端通过所述谐振电容C1连接所述全桥逆变网络的第二输出端，在所述谐振电容C1的两端各自连接有一块发射极板，所述串联型LC网络由谐振电感L2与谐振电容C2构成，在所述谐振电容C2的两端各自连接有一块接收极板，发射极板与接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，所述谐振电容C2的一端通过所述谐振电感L2连接所述整流滤波电路的第一输入端，所述谐振电容C2的另一端连接所述整流滤波电路的第二输入端，在所述整流滤波电路的两个输出端之间连接所述负载。2.根据权利要求1所述的基于双侧LC网络的ECPT系统，其特征在于，所述谐振电感L1、谐振电感L2均采用磁芯绕制。3.如权利要求1所述的基于双侧LC网络的ECPT系统的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：按权利要求1所述的电路拓扑构建一种基于双侧LC网络的ECPT系统，设定负载阻值RL、输出功率Pout、系统运行频率f以及耦合机构等效电容Cs；S2：计算所述串联型LC网络的效率η2；S3：判断η2是否大于设定的效率阈值，如果是，则进入步骤S5，否则，进入步骤S4；S4：在所述整流滤波电路后配置有源阻抗变换电路以调节等效输出负载Re，随后跳转至步骤S2；S5：计算阻值增益Gr；S6：计算串联型LC网络的谐振电容C2和谐振电感L2；S7：由所述全桥逆变电路中MOSFET管的极限漏源电压、谐振电感L1的上限电感值及并联型LC...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，谢诗云，孙跃，叶兆虹，戴欣，王智慧，唐春森，朱婉婷，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50