用于四线圈磁耦合谐振无线输电的LCC-SSS补偿电路结构制造技术

本发明专利技术公开了用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC

【技术实现步骤摘要】
用于四线圈磁耦合谐振无线输电的LCC-SSS补偿电路结构


[0001]本专利技术属于无线输电
，涉及一种用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构。

技术介绍

[0002]近年来，无线输电技术以其安全、方便等优点在如电力传输、电动汽车、医疗、手机、电脑等非接触输电应用中越来越广泛。无线输电的主要类型有磁感应式(ICPT)、磁耦合谐振式(MCR)、电容功率传输(CPT)等，其中中小功率和中距离输电时磁耦合谐振式无线输电(MCR-WPT)具有一定的优势。常用的MCR-WPT系统结构主要包括两线圈、三线圈、四线圈及多线圈等，由于四线圈中附加耦合系数在传递距离的扩展上引入了额外的自由度，使得其传输距离比两线圈系统更远。
[0003]四线圈MCR-WPT系统在工作时，其线圈需要满足谐振的工作状态才可以实现对电能的有效传输。为此，四线圈MCR-WPT系统的负载端和发射端需要设置匹配网络来实现阻抗匹配。目前，四线圈MCR-WPT系统常采用串联-串联-串联-串联(SSSS)补偿网络，即线圈的电感和补偿电容串联连接。但SSSS补偿网络中输入串联电阻需要与负载电阻匹配，一般设置输入串联电阻和负载电阻大小相等。此时系统的输入电流较小，使得输出电压最大增益为-14dB，即负载电阻上的电压较小，传输功率和传输效率较低。同时，对于SSSS补偿网络，当取消输入串联电阻时系统的输出电压增益较大。虽然减小输入电阻阻值可以显著提高系统的传输效率，但取消该电阻会造成系统失谐时输入电流激增，使得系统无法正常工作。这严重影响了控制系统的稳定性与电路系统的安全性。针对SSSS补偿网络输入串联电阻会影响四线圈MCR-WPT系统整体传输效率的问题，本专利技术提出了一种用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，克服了原有SSSS补偿网络存在的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是设计一种用于四线圈MCR-WPT系统的LCC-SSS补偿电路结构，针对SSSS补偿网络中存在输入串联电阻使得系统传输效率较低的问题，本专利技术用于四线圈MCR-WPT系统的LCC-SSS补偿电路结构在不影响系统稳定性与安全性的前提下取消了输入串联电阻，通过系统的传输效率和输出功率曲线确定了电感系数，同时给出了LCC-SSS谐振电路的补偿电感和补偿电容的选取方法。通过LCC-SSS的补偿网络有效提高了四线圈MCR-WPT系统的传输效率与最大输出功率。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，包括四线圈MCR-WPT系统，四线圈MCR-WPT系统由发射驱动线圈、发射中继线圈、接收中继线圈以及接收负载线圈四个线圈依次排列构成，所述发射驱动线圈通过LCC谐振电路连接有逆变器，所述接收负载线圈连接有负载。
[0006]发射驱动线圈和接收负载线圈是由导线绕成的单匝线圈，单匝线圈与电路设置的补偿电容产生谐振。
[0007]发射中继线圈和接收中继线圈是多匝螺旋线圈，中继线圈在工作时其本身的电感、寄生电容和线圈电阻发生串联谐振，所有线圈的谐振频率ω0均相同。
[0008]LCC谐振电路设置在逆变器和发射驱动线圈之间，LCC谐振电路包括补偿电感L0，补偿电感L0的输入端接到逆变器的输出，输出端连接补偿电容C1的一端，补偿电容C1的另一端接发射驱动线圈；补偿电感L0和补偿电容C1的连接点连接有补偿电容C0的一端，补偿电容C0的另一端接到系统地。
[0009]实现谐振频率ω0相同的方法为：
[0010]根据等效电路模型和基尔霍夫电压、电流定律，可以写出线圈补偿网络之间的传输关系为式(1)所示。其中ω为系统工作的角频率。
[0011][0012]其中Z1、Z2、Z3和Z4分别为四个线圈的等效阻抗。
[0013][0014]根据式(1)、(2)，进一步得到输入侧U
AB
和输出侧U
O
的传递函数G，如式(3)所示。
[0015][0016]其中R
eq4
、R
eq3
、R
eq2
、R
eq1
分别为从系统输出侧每一级线圈看进去的等效电阻。
[0017][0018][0019]定义α为L0与L1之间的电感系数，其中0<α<1。
[0020]L0＝αL1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0021]由于原边受控源jωM
12
I2相当于一个纯电阻R
eq2
，发射驱动线圈原边的LCC-SSS补偿电路结构为纯阻性的二阶谐振电路。由纯阻性的二阶谐振电路分析可知，为了实现系统零相位角输入，原边补偿电感L0与其对应的补偿电容C0应满足如式(7)。
[0022][0023]补偿电容C0应根据式(6)和式(7)进行设计，则C0应满足式(8)。
[0024][0025]实现所述谐振频率ω0相同的参数选取方法具体按照如下步骤实施：
[0026]步骤1，确定线圈的谐振电容C1、C2、C3及C4的选取；
[0027]为了使谐振系统正常工作，且线圈的寄生电容需要对线圈的形状、大小及线间距等进行调节。通常线圈的等效电感L1、L2、L3、L4与固有谐振频率ω0已知，根据式(9)设计C1、C2、C3及C4，使系统满足谐振条件。
[0028][0029]步骤2，通过系统的传输效率和输出功率得到系统的传输特性曲线，
[0030]根据式(1)～(9)可以整理得到LCC-SSS系统的传递效率η和系统输出功率P
out
关于α的表达形式如式(10)和式(12)所示，通过传输效率和输出功率公式绘制传输特性曲线。
[0031]系统的传输效率η为：
[0032][0033]其中：
[0034][0035]系统的输出功率P
out
为：
[0036][0037]其中G
LCC_SSS
为MCR-WPT系统在LCC-SSS补偿网络时的传递函数：
[0038][0039]步骤3，通过传输特性曲线对电感系数α进行选取；
[0040]在电感系数α选择不同值时耦合系数k
23
变化导致系统输出功率和传输效率变化，通过输出功率可以看出当α越小时，输出功率的最大值越大；系统的输出功率在一个固定的耦合系数k
23
达到最大值，最大功率处对应的传输距离不随α变化；当α越小时，系统整体的传输效率越小。另外当α越小时，系统取得最大传输效率处的耦合系数k
23
越小，从输出功率来看希望α越小越好，从传输效率和传输距离来看更希望α越大越好；对输出功率和传输效率之间进行折衷后选择α＝0.5作为最终最佳电感系数；
[0041]步骤4，确定LCC-SSS谐振电路的补偿电感L0；
[0042]由于根据式(6)定义了α为L0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，其特征在于，包括四线圈MCR-WPT系统，四线圈MCR-WPT系统由发射驱动线圈、发射中继线圈、接收中继线圈以及接收负载线圈四个线圈依次排列构成，所述发射驱动线圈通过LCC谐振电路连接有逆变器，所述接收负载线圈连接有负载。2.根据权利要求1所述的用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，其特征在于，所述发射驱动线圈和接收负载线圈是由导线绕成的单匝线圈，单匝线圈与电路设置的补偿电容产生谐振。3.根据权利要求1所述的用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，其特征在于，所述发射中继线圈和接收中继线圈是多匝螺旋线圈，中继线圈在工作时其本身的电感、寄生电容和线圈电阻发生串联谐振，所有线圈的谐振频率ω0均相同。4.根据权利要求1所述的用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，其特征在于，所述LCC谐振电路设置在逆变器和发射驱动线圈之间，LCC谐振电路包括补偿电感L0，补偿电感L0的输入端接到逆变器的输出，输出端连接补偿电容C1的一端，补偿电容C1的另一端接发射驱动线圈；补偿电感L0和补偿电容C1的连接点连接有补偿电容C0的一端，补偿电容C0的另一端接到系统地。5.根据权利要求3所述的用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC-SSS补偿电路结构，其特征在于，实现所述谐振频率ω0相同的方法为：根据等效电路模型和基尔霍夫电压、电流定律，可以写出线圈补偿网络之间的传输关系为式(1)所示。其中ω为系统工作的角频率。其中Z1、Z2、Z3和Z4分别为四个线圈的等效阻抗。根据式(1)、(2)，进一步得到输入侧U
AB
和输出侧U
O
的传递函数G，如式(3)所示。其中R
eq4
、R
eq3
、R
eq2
、R
eq1
分别为从系统输出侧每一级线圈看进去的等效电阻。
定义α为L0与L1之间的电感系数，其中0<α<1。L0＝αL1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)由于原边受控源jωM
12
I2相当于一个纯电阻R
eq2
，发射驱动线圈原边的LCC-SSS补偿电路结构为纯阻性的二阶谐振电路。由纯阻性的二阶谐振电路分析可知，为了实现系统零相位角输入，原边补偿电感L0与其对应的补偿电容C0应满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙向东，陈泽驰，王之轩，任碧莹，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：