基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统技术方案

基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。首先该系统具有两个LC串联谐振和两个LC并联谐振支路，通过对每个支路元件参数的设计，整个系统可在不同频率点上工作于谐振与失谐状态，其中失谐可分为感性失谐和容性失谐；然后，根据预设的两个谐振频率来设计双频补偿网络的系统参数，使得系统能够在不同的工作频率下呈现不同的SS补偿的谐振状态及功率传输特性；最后，由于方波输入电压包含以开关频率为基频的所有奇次谐波，该系统可以由方波电压的基频和三倍频分量激励，因此系统功率可以叠加两个失谐的SS功率传输特性，实现抵抗耦合变化的功能。该系统无需额外的反馈控制或原副边通信即可提高无线电能传输系统的抵抗耦合变化能力。合变化能力。合变化能力。

【技术实现步骤摘要】
基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，具体为基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输技术由于其安全可靠，低维护成本的特性受到了越来越多的关注，并且已经广泛应用于可移动设备，电动汽车，植入式医疗设备，水下机器人等领域。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中距离电能传输，具有通用性强、便捷性高等优点。然而，随着发射接收线圈之间的相对位置变化，他们之间的耦合系数会剧烈变化，从而导致传输功率的剧烈波动，随相对位置变化的不稳定的无线电能传输的应用前景是很渺茫的。
[0003]因此，本专利技术提出了一种基于双频失谐的无线电能传输系统，旨在大范围的耦合波动范围内，在不加闭环控制的情况下，实现较为稳定的功率传输。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统。该系统在原边和副边都加入了相同的补偿网络。通过对该补偿网络的设计，能够使整个系统在不同频率的电压激励下，表现出不同的谐振状态，且单对于每一个频率而言，系统可以简化为一个SS补偿的无线电能传输系统。该系统选取占空比为50％的方波电压输入，通过组合SS补偿网络不同谐振状态的功率传输特性，在接收线圈位置偏移的情况下可以实现相对稳定的功率传输。因此，这种新的双频失谐系统对线圈位置偏移引起的自感和互感变化具有良好的鲁棒性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，具体步骤如下：
[0007]S1，根据LC
‑
LC拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到双频失谐补偿网络的拓扑结构；
[0008]S2，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；
[0009]S3，通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性。
[0010]作为本专利技术进一步改进，S1中所述的设计双频失谐补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：
[0011]从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压的逆变器，原副边补偿网络，将交流转化为直流的整流电路及负载；
[0012]V
in,n
，n＝1,3,5
…
代表n次谐波电压，M代表原副边线圈之间的互感，V
load
代表负载
电压，原副边补偿网络的结构完全一样，均有一个并联LC再与一个串联LC串联而成，L1,C1,L
p
,C
p
构成了原边的谐振网络，L2,C2,L
s
,C
s
构成了副边的谐振网络，通过参数设计，将整个系统设计为一个双频带通滤波器，即整个系统对于基频与三倍频的输入电压呈低阻，而对于其他频率的输入电压则呈高阻状态；
[0013]整个系统在不同频率的激励下，分别呈现出不同的谐振状态。且不同频率的激励分别在低耦合与高耦合情形下分别作为能量传输的主通道。通过不同频率的功率叠加，可以实现在大耦合范围内整个系统的准恒功率输出。
[0014]作为本专利技术进一步改进，S2所述，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计原副边不同频率的失谐率，具体过程如下：
[0015]如前所述，系统的原副边都设计为失谐的状态，为了表征失谐的程度，定义失谐率为系统失谐阻抗与线圈感抗的比值：
[0016][0017]其中ω
n
,α
n
,β
n
，n＝1,3分别代表方波电压的基频，三倍频角频率，原边电路在基频和三倍频的失谐率以及副边在基频和三倍频的失谐率，失谐率为0代表完全谐振；
[0018]假设只考虑一个频率，那么整个系统等效为SS补偿的无线电能传输系统，系统的等效电容值的计算式为：
[0019][0020]求解式(2)，不同频率下的原副边等效电容为：
[0021][0022]整流器及其后级负载电路等效为一个纯电阻，该电阻表达式为：
[0023][0024]作为本专利技术进一步改进，S3中所述的通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性，具体过程如下：
[0025]1)系统数学模型
[0026]基于双频失谐无线电能传输系统的等效电路，对于不同频率输入电压，整个系统均简化为SS补偿，为了简化计算，忽略系统元件的寄生参数，系统数学模型为：
[0027][0028]其中，V
in,n
，n＝1,3是逆变器输出方波电压的基频和三倍频分量，I
pn
，I
sn
，n＝1,3分别是基频和三倍频电压激励下原副边线圈电流。式(5)描述了此系统在双频激励下的电气特性，原副边线圈电流为：
[0029][0030]2)失谐方案
[0031]双频失谐方案的设计思路是，所提出的系统在两个频率下处于不同的失谐状态。因此，整个系统可以结合SS补偿的WPT系统的不同失谐状态下的功率传输特性，并针对大范围的耦合变化实现平滑的功率传输。系统由占空比为50％的方波激励，一次和三次谐波电压的均方根(RMS)值定义为：
[0032][0033]为了实现开关的零电压切换(ZeroVoltageSwitching)，系统应该设计为感性失谐。然而，考虑到四个失谐率的求解域问题，所提出的系统分别在一次和三次谐波激励下设置为感性失谐和容性失谐。此外，如式(7)所示，基波的功率传输能力比三次谐波强得多。两个频率下的电压增益可计算为：
[0034][0035]其中，G
v,n
n＝1,3分别代表基频和三倍频的电压增益。由式(8)可知，若α
n
、β
n
符号相同，则电压增益大于二者符号相反的情况。这是因为接收端的阻抗映射到发射端之后，其失谐阻抗类型翻转。如果接收端与发射端的失谐阻抗类型一致，就会降低发射端的失谐阻抗，使功率传输更容易。因此，为了使基波和三次谐波输出功率处于同一功率水平，原副边在基频下分别设为感性和容性失谐，在三倍频下均设为容性失谐，如式(9)所示。
[0036]α1＞0,β1＜0,α3＜0,β3＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0037]3)耦合容限分析
[0038]系统的耦合变化主要是互感M的变化引起，体现在发射端和接收端的线圈相对位置变化，因此系统的耦合容限可视作系统抗线圈位置偏移的能力，基于式(6)，不同频率的输出功率表达式为：
[0039][0040]其中：P
out,n
，n＝1,3分别代表系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：具体步骤如下：S1，根据LC
‑
LC拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到双频失谐补偿网络的拓扑结构；S2，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；S3，通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性。2.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：S1中所述的设计双频失谐补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压的逆变器，原副边补偿网络，将交流转化为直流的整流电路及负载；V
in,n
，n＝1,3,5
…
代表n次谐波电压，M代表原副边线圈之间的互感，V
load
代表负载电压，原副边补偿网络的结构完全一样，均有一个并联LC再与一个串联LC串联而成，L1,C1,L
p
,C
p
构成了原边的谐振网络，L2,C2,L
s
,C
s
构成了副边的谐振网络，通过参数设计，将整个系统设计为一个双频带通滤波器，即整个系统对于基频与三倍频的输入电压呈低阻，而对于其他频率的输入电压则呈高阻状态。3.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于：S2所述，通过选取两个不同的工作频率，根据原副边失谐率的约束条件，设计原副边不同频率的失谐率，具体过程如下：如前所述，系统的原副边都设计为失谐的状态，为了表征失谐的程度，定义失谐率为系统失谐阻抗与线圈感抗的比值：其中ω
n
，n＝1,3分别代表方波电压的基频，三倍频分量的角频率，α
n
,β
n
，n＝1,3分别代表原边电路在基频和三倍频的失谐率以及副边在基频和三倍频的失谐率，失谐率为0代表完全谐振；假设只考虑一个频率，那么整个系统等效为SS补偿的无线电能传输系统，系统的等效电容值的计算式为：其中，j是虚数单位，j2＝
‑
1。求解式(2)，不同频率下的SS原副边等效电容为：
其中，C
ep,n C
es,n n＝1,3分别代表基频和三倍频下原副边的等效SS补偿电容。整流器及其后级负载电路等效为一个纯电阻，该电阻表达式为：4.根据权利要求1所述的基于双频失谐的大范围耦合容限的无线电能传输系统，其特征在于，S3中所述的通过选取占空比为50％的方波电压输入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的耦合变化的功率传输特性，具体过程如下：1)系统数学模型基于双频失谐无线电能传输系统的等效电路，对于不同频率输入电压，整个系统均简化为SS补偿，为了简化计算，忽略系统元件的寄生参数，系统数学模型为：其中，V
in,n
，n＝1,3是逆变器输出方波电压的基频和三倍频分量，I
pn
，I
sn
，n＝1,3分别是基频和三倍频电压激励下原副边线圈电流。式(5)描述了此系统在双频激励下的电气特性，原副边线圈电流为：2)失谐方案双频失谐方案的设计思路是，所提出的系统在两个频率下处于不同的失谐状态。因此，整个系统可以结合SS补偿的WPT系统的不同失谐状态下的功率传输特性，并针对大范围的耦合变化实现平滑的功率传输。系统由占空比为50％的方波激励，一次和三次谐波电压的均方根(RMS)值定义为：为了实现开关的零电压切换(Zero Voltage Switching)...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊文静，喻琪辉，刘梓溪，朱奇，王辉，粟梅，但汉兵，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：