基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体公开基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

磁耦合无线电能传输技术采用磁场耦合能量传输方式，供电端和受电端之间没有电气和机械连接，与传统有线传输方式相比，具有方便、安全、可靠等优点。随着传输效率的提升，近年来磁耦合无线电能传输技术在消费电子、无人机、电动汽车、生物植入等领域得到了广泛应用和推广。

目前，磁耦合无线供电结构中多采用双边补偿，即原边和副边分别采用补偿电路。那么，供电电源、原边补偿装置和磁耦合原边线圈一般位于地面的固定位置上，副边线圈和副边补偿装备等则位于移动设备上。补偿网络从包含一个补偿电容的四种基本补偿结构串联-串联(SS)、并联-并联(PP)、串联-并联(SP)、并联-串联(PS)到高阶补偿网络如S/LCC、S/SP和LCC/LCC等高阶补偿拓扑中，副边补偿网络的存在增加了设备侧的体积、重量和成本，降低了设备侧的功率密度。

为减少设备侧的体积、重量和成本，从而使消费电子、无人机、电动汽车等移动终端更加灵活、轻便，设备侧紧凑型无线电能传输系统得到了广泛关注。但现有的设备侧紧凑型无线电能传输系统仅能实现恒流输出，且输出电流增益受限于变压器互感参数，难以调节。因此，亟需提出一种具有实现任意增益的恒压/恒流输出特性的设备侧紧凑型磁耦合无线电能传输拓扑结构。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，解决现有补偿网络中设备侧存在补偿元件的技术问题，实现减少设备侧体积、重量和成本的目的，具有实现任意增益的恒压/恒流输出的特性。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，由高频交流电源、原边补偿模块、原边线圈、副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接的直流负载组成。其中，高频交流电源可由直流电源通过逆变器或相应技术产生，用于向原边补偿模块的输入端口提供高频交流信号；原边补偿模块的输入端口连接高频交流电源，原边补偿模块所包含元件的参数基于广义变压器模型确定，用于对系统整体无功进行补偿及输出增益调节；原边线圈连接原边补偿模块的输出端口，能量通过磁场耦合从原边线圈传递到副边线圈；副边线圈连接交流负载或者通过整流模块连接直流负载，整流模块将高频交流电转换为直流电供给直流负载使用。

进一步地，磁耦合无线电能传输系统根据广义变压器模型，在原边侧通过设计单个T型/Π型网络或其衍生网络来实现任意增益要求的恒流或恒压输出，以满足不同的场景需要。并且，副边设备侧无需任何补偿网络，仅包含副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接直流负载，节省了设备的占地空间和成本。此外，本发明采用定频控制且实现了全负载范围下的输入零相角特性，无需增加额外的控制电路和原、副边通信，有效提高系统功率密度，保证高效能量传输。

进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且恒压输出补偿模块为单个T型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：

进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒压输出补偿模块，且恒压输出补偿模块为单个Π型网络时，A阻抗元件、B阻抗元件、C阻抗元件的参数为：

进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且恒流输出补偿模块为单个T型网络时，第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件的参数为：

进一步地，原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流输出补偿模块，且恒流输出补偿模块为单个Π型网络时，A阻抗元件、B阻抗元件、C阻抗元件的参数为：

进一步地，原边补偿模块各元件参数计算步骤如下：

步骤1：根据不同应用场景确定系统工作频率ω，当系统需要恒压输出时，通过所需的输出电压有效值V

当系统需要恒流输出时，通过所需的输出电流有效值I

步骤2：原边侧通过设计单个T型/Π型网络或其衍生网络均可实现恒流或恒压输出，根据步骤1中确定的广义变压器模型参数计算其中各元件的具体值。当系统需要恒压输出时，各元件参数为：

当系统需要恒流输出时，各元件参数为：

步骤3：步骤2中计算得到的原边补偿模块中各元件均为电感或电容元件，因此，原边补偿网络应根据原边补偿模块中电感/电容元件的组成结构、实际产生高频交流电源的方式、以及交流电源的类型等条件选择。

进一步地，在完成参数设计后，可以对原边补偿模块进行参数微调，使系统在不影响输出特性的情况下产生弱感性或者弱容性来实现逆变模块的零电压开关(Zero-VoltageSwitching,ZVS)或零电流开关(Zero-Current Switching,ZCS)。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出的基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构，根据广义变压器模型在原边侧通过设计单个T型/Π型网络或其衍生网络来实现任意增益要求的恒流或恒压输出，以满足不同的场景需要，副边设备侧无需任何补偿网络，仅包含副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接直流负载，节省了设备的占地空间和成本。

(2)本发明采用定频控制且实现了全负载范围下的输入零相角特性，无需增加额外的控制电路和原、副边通信，有效提高系统功率密度，保证高效能量传输。

(3)本发明可以对原边补偿模块进行参数微调，使系统在不影响输出特性的情况下产生弱感性或者弱容性来实现逆变模块的ZVS或ZCS，进一步提高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图；

图1为本发明所提基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构。

图2为T型补偿拓扑。

图3为Π型补偿拓扑。

图4为本发明实施例中LCC-N型磁耦合无线电能传输拓扑。

图5为本发明实施例中负载电阻为10Ω时的仿真波形。

图6为本发明实施例中负载电阻为50Ω时的仿真波形。

图7为本发明实施例中负载电阻为100Ω时的仿真波形。

图中标号说明：Z

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施方法来详细说明本发明技术方案。

本发明所提基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构如图1所示，由高频交流电源、原边补偿模块、原边线圈、副边线圈、交流负载或者通过整流模块连接的直流负载组成。其中，高频交流电源可由直流电源通过逆变器或相应技术产生，原边补偿模块对系统整体无功进行补偿以及输出增益调节，能量通过磁场耦合从原边线圈传递到副边线圈，整流模块将高频交流电转换为直流电供给直流负载使用。原边补偿模块为实现任意增益要求的恒流或恒压输出的补偿模块，可设计为单个T型网络或单个Π型网络或单个T型网络的衍生网络或单个Π型网络的衍生网络，且原边补偿模块的参数基于广义变压器模型设计。

如图2所示，T型网络由第一阻抗元件Z

如图3所示，Π型网络由A阻抗元件Z

下面以表1中参数为例进行原边补偿模块中各元件参数的设计，具体步骤如下：

表1示例参数

步骤1：选择系统工作频率为85kHz，由于此系统需要恒压输出，通过所需的输出电压V

步骤2：根据步骤1中确定的广义变压器模型参数计算其中各元件的具体值。由于此系统需要恒压输出，对于单个T型网络或单个Π型网络构建的原边补偿模块而言，各元件参数为：

步骤3：根据步骤2中计算得到的T型网络中各元件参数，可确定第一阻抗元件Z

最终得到原边LCC型补偿-副边无补偿(LCC-N)型无线电能传输拓扑如图4所示，第一开关管至第四开关管Q

在完成参数设计后，可以对原边补偿模块进行参数微调，使系统在不影响输出特性的情况下产生弱感性或者弱容性来实现逆变模块的ZVS或ZCS。

下面将结合仿真结果验证本发明所提的基于广义变压器的设备侧紧凑型无线电能传输拓扑结构的效果。

根据表1中的参数，对LCC-N型无线电能传输拓扑进行了仿真验证，根据式(2)计算得到的原边LCC型补偿拓扑各元件分别为L

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。