【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线充电技术，尤其涉及一种宽范围zvs的恒/压恒流双向ipt系统及其参数设计方法。
技术介绍
1、感应式电力传输(ipt)能够通过磁场耦合实现电能的非接触传输。目前已广泛应用于生物医学、智能家电、仓储物流和电动汽车等多个领域。双向ipt提供了电能的双向流动，并支持从车辆电池到电网(v2g)或其他负载(v2x)的能量回馈，满足不同使用场景和用户需求。此外，双向ipt使得能量能够通过空气双向长距离传输，与传导式充电器(如llc谐振转换器)相比，提供了更高的电气隔离、灵活性和安全性，从而成为近期学术研究和开发的焦点。
2、图1所示为一个通用的双向ipt系统，由电网或其它负载、双向ac/dc转换器、原边及副边有源桥式转换器、原边及副边补偿网络、耦合线圈和电池组成。在这些系统中使用的双向ac/dc技术已经相当成熟。针对双向ipt系统，在电池放电模式下，通过双向ac/dc转换器和原边的有源桥来维持共享直流母线(dc-link)的恒定电压(cv)是理想的。这有助于双向ac/dc转换器根据电网的电压规格和要求调整和注入电能，满足电网对能源质量和稳定性的需求。在电池充电模式中，希望在dc-dc阶段维持恒定电流(cc)，这有助于系统适应电池负载的变化，防止过度充电电流，并提高电池的安全性和长期可靠性。现有研究关于dc-dc阶段的输出特性主要集在单向ipt系统电池充电时设计cc/cv输出，对双向cc/cv输出特性的研究相对有限。然而，双向ipt系统具有额外的电池放电模式，传统单向ipt系统中使用的设计和优化可能不满足双向操作
3、此外，双向ipt系统的副边转换器与原边转换器一样，是一个主动桥式转换器而不是二极管整流器。在电池充放电期间，业界非常关切的是逆变器是否能够在足够的关断电流下实现零电压开关(zvs)以减少高开关损耗和电磁干扰(emi)。然而，现有研究大多数集中在确保在单向ipt系统的一次侧实现zvs，因此，需要一个新的分析模型来指导双向ipt系统中双向zvs参数的设计和优化。
4、综上所述，在cc/cv模式的研究中，传统研究主要关注充电阶段，而放电阶段的电能质量往往被忽视。在考虑实现zvs时，大多数现有解决方案是通过增加辅助电路和采用电路控制技术来解决的，实现的系统仅在有限的zvs范围内运行。此外，对关断电流的以往考虑不够精确，而其准确建模对系统的zvs运行和设计简化至关重要。特别是在具有多模式操作的双向ipt系统中，建模关断电流更具挑战性。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术首先提供一种宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统，基于双边lcc补偿，充分利用了高阶补偿网络的谐振特性，通过参数配置的优化，确保在充电过程中的cc输出和放电过程中的cv输出，同时使其在双向操作期间具有宽范围的zvs。
2、为实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：
3、一种宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统，包括原边电路和副边电路，原边电路设置有原边变换器、原边补偿电路和原边线圈，副边电路设置有副边线圈、副边补偿电路、副边变换器和蓄电池，其关键在于，当蓄电池充电时，所述原边变换器接入电网，并按照充电谐振频率fc工作在逆变状态，所述副边变换器工作在整流状态，通过所述原边线圈向所述副边线圈传输能量实现对所述蓄电池恒流输出无线充电；当蓄电池放电时，所述副边变换器按照放电工作频率fd工作在逆变状态，所述原边变换器前端连接用电负载且工作在整流状态，通过所述副边线圈向所述原边线圈传输能量实现对所述用电负载恒压输出无线供电，其中：fc＜fd＜λfc,λ为过渡频率系数且k为原边线圈和副边线圈之间的耦合系数。
4、可选地，所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均采用lcc补偿网络，其中所述原边补偿电路包括原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述副边补偿电路包括副边补偿电感、副边串联补偿电容和副边并联补偿电容，且满足：lf1＜l1和其中l1为原边线圈自感，l2为副边线圈自感，lf1为原边补偿电感值，lf2为副边补偿电感值。
5、可选地，所述原边补偿电路和所述副边补偿电路中的元件参数满足谐振条件：
6、
7、其中工作角频率ωc＝2πfc，cf1为原边并联补偿电容，c1为原边串联补偿电容，cf2为副边并联补偿电容，c2为副边串联补偿电容。
8、可选地，所述原边变换器和所述副边变换器均采用有源全桥变换器且由驱动电路控制，所述驱动电路的输入端连接有pwm脉宽调制模块，所述pwm脉宽调制模块前端配置有信号选通模块，所述信号选通模块的一个输入通道连接充电控制信号输入模块，所述信号选通模块的另一输入通道连接放电控制信号输入模块，所述信号选通模块的使能通道上配置有充放电选择器。
9、基于上述系统，本专利技术还提供一种宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
10、s1：根据应用场景给定原边线圈自感l1、副边线圈自感l2、互感m、充电谐振频率fc、充电传输功率pc、充电母线电压u1、放电母线电压u2和最小zvs电流izvs_min，并确定蓄电池等效负载电阻rab；
11、s2：在lf1＜l1范围内预设原边补偿电感值lf1；
12、s3：根据计算副边补偿电感值lf2，其中ωc＝2πfc为充电谐振角频率，zp为原边变换器等效输入阻抗；
13、s4：判断是否满足表示互感系数，如果不满足，则返回步骤s2重设原边补偿电感值lf1，如果满足，则进入步骤s5；
14、s5：根据lf1和lf2，利用充电谐振条件计算原边并联补偿电容cf1、原边串联补偿电容c1和副边并联补偿电容cf2；
15、s6：根据计算副边变换器整流状态反射电抗xab；
16、s7：按照计算l3c，其中l3c表示电抗x3在充电谐振频率fc下的广义等效电感，z’p表示无负载条件下原边变换器等效输入阻抗；
17、s8：根据计算副边串联补偿电容c2；
18、s9：按照计算过渡频率系数λ；
19、s10：在fc＜fd＜λfc范围内寻找放电工作频率fd使其满足：
20、
21、其中：放电工作角频率ωd＝2πfd，l1d为电抗x1在放电工作频率fd下的广义等效电感，l2d为电抗x2在放电工作频率fd下的广义等效电感，l3d为电抗x3在放电工作频率fd下的广义等效电感，l4d为电抗x4在放电工作频率fd下的广义等效电感，且：
22、
23、s11：根据设定参数计算副边变换器关断电流ioff_s，并判断副边变换器关断电流ioff_s是否大于最小zvs电流izvs_min，如果大于，则确定最终参数，否则，返回步骤s2重设原边补偿电感值lf1。
24、可选地，步骤s1中按照确定蓄电池等效负载电阻。
25、可选地，步骤s5中的充电谐振条件为：
26、<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统，包括原边电路和副边电路，原边电路设置有原边变换器、原边补偿电路和原边线圈，副边电路设置有副边线圈、副边补偿电路、副边变换器和蓄电池，其特征在于，当蓄电池充电时，所述原边变换器接入电网，并按照充电谐振频率fc工作在逆变状态，所述副边变换器工作在整流状态，通过所述原边线圈向所述副边线圈传输能量实现对所述蓄电池恒流输出无线充电；当蓄电池放电时，所述副边变换器按照放电工作频率fd工作在逆变状态，所述原边变换器前端连接用电负载且工作在整流状态，通过所述副边线圈向所述原边线圈传输能量实现对所述用电负载恒压输出无线供电，其中：fc＜fd＜λfc,λ为过渡频率系数且k为原边线圈和副边线圈之间的耦合系数。
2.根据权利要求1所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统，其特征在于：所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均采用LCC补偿网络，其中所述原边补偿电路包括原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述副边补偿电路包括副边补偿电感、副边串联补偿电容和副边并联补偿电容，且满足：Lf1＜L1和其中L1为原边线圈自感，L2为副边线圈自
3.根据权利要求2所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统，其特征在于：所述原边补偿电路和所述副边补偿电路中的元件参数满足谐振条件：
4.根据权利要求1-3任一所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统，其特征在于：所述原边变换器和所述副边变换器均采用有源全桥变换器且由驱动电路控制，所述驱动电路的输入端连接有PWM脉宽调制模块，所述PWM脉宽调制模块前端配置有信号选通模块，所述信号选通模块的一个输入通道连接充电控制信号输入模块，所述信号选通模块的另一输入通道连接放电控制信号输入模块，所述信号选通模块的使能通道上配置有充放电选择器。
5.如权利要求1-4任一所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S1中按照确定蓄电池等效负载电阻。
7.根据权利要求5所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S5中的充电谐振条件为：
8.根据权利要求5所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S11中按照：
9.根据权利要求5所述的宽范围ZVS的恒流/恒压双向IPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S11中确定的最终参数包括原边补偿电感Lf1、原边串联补偿电容C1、原边并联补偿电容Cf1、副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2以及放电工作频率fd。
...【技术特征摘要】
1.一种宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统，包括原边电路和副边电路，原边电路设置有原边变换器、原边补偿电路和原边线圈，副边电路设置有副边线圈、副边补偿电路、副边变换器和蓄电池，其特征在于，当蓄电池充电时，所述原边变换器接入电网，并按照充电谐振频率fc工作在逆变状态，所述副边变换器工作在整流状态，通过所述原边线圈向所述副边线圈传输能量实现对所述蓄电池恒流输出无线充电；当蓄电池放电时，所述副边变换器按照放电工作频率fd工作在逆变状态，所述原边变换器前端连接用电负载且工作在整流状态，通过所述副边线圈向所述原边线圈传输能量实现对所述用电负载恒压输出无线供电，其中：fc＜fd＜λfc,λ为过渡频率系数且k为原边线圈和副边线圈之间的耦合系数。
2.根据权利要求1所述的宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统，其特征在于：所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均采用lcc补偿网络，其中所述原边补偿电路包括原边补偿电感、原边串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述副边补偿电路包括副边补偿电感、副边串联补偿电容和副边并联补偿电容，且满足：lf1＜l1和其中l1为原边线圈自感，l2为副边线圈自感，lf1为原边补偿电感值，lf2为副边补偿电感值。
3.根据权利要求2所述的宽范围zvs的恒流/恒压双向ipt系统，其特征在于：所述原边补偿电路和所述副边补偿电路中的元件参数满足谐振条件：
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【专利技术属性】
技术研发人员：李思奇，李通，鲁思兆，刘哲，肖庄胜，方彦昭，
申请(专利权)人：苏州卡方能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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