一种LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法

技术领域

本发明涉及CPT系统领域，特别涉及一种LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法。

背景技术

CPT系统即电场耦合式无线电能传输系统是通过发射极板与接收极板间形成等效电容，利用高频电场产生位移电流来进行能量传输的系统，具有电磁辐射低，成本低，可穿透金属障碍物等优点，在生产生活中具有十分广泛的应用。

为了提高CPT系统的传输距离和功率等级，以及满足电池充电等需要恒压或恒流输出的应用场合，需要通过补偿网络对等效互容在pF级的耦合极板进行补偿，目前主要的补偿网络有双边LC、双边LCL、双边LCLC型补偿网络等。

设置双边LCLC补偿网络的如公开号为CN109525046B的中国专利公开的双边LCLC型CPT系统工作频率点选择及极板电压优化方法，包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LCLC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LCLC补偿网络、全桥整流滤波电路。

该发明推导出双边LCLC型CPT系统能够实现恒流输出的多个频率点，以减小系统体积为目的选择最优工作频率点，提高了系统输出增益，拓宽了系统连续工作模式下的负载范围；当系统工作在最优频率点时，该发明通过设置补偿网络的参数实现了耦合极板电压应力的降低、电路近似零无功环流和开关器件的软开关。

上述专利申请提供的补偿网络实现输入零相角的拓扑以恒流输出为主，而对于实现恒压输出特性的电路目前只能达到近似输入阻抗零相角，且需要前提条件C

对于耦合极板电压应力优化方面，双边LC电路的应力非常大，双边LCLC电路有可能实现低电压应力，但是其器件数量非常多，结构复杂体积大，增加了分析难度。

发明内容

本申请针对目前补偿网络只能同时恒压输出特性和近似输入零相角的问题，设计了可以实现恒压输出特性和与负载无关的理想输入阻抗零相角的LC-LCLC型CPT系统及极板应力优化方法，拓宽了连续工作模式负载范围，同时比较双边LC电路具有耦合极板电压应力小的优点，比较双边LCLC电路具有结构简单、体积小的优点。

一种LC-LCLC型CPT系统，包括依次电性连接的高频全桥逆变电路，原边LC补偿网络、耦合电容极板、副边LCLC补偿网络、全桥整流滤波电路；

所述原边LC补偿网络的原边第一补偿电感与原边第一补偿电容电性连接于高频全桥逆变电路不同的桥臂中点上；

所述副边LCLC补偿网络的副边第二补偿电感与副边第二补偿电容电性连接于全桥整流滤波电路的不同的桥臂中点上；

所述耦合电容极板为包括两块发射极板和两块接收极板的四极板结构；

所述CPT系统的参数设置如下：

其中，L

具体的，LC-LCLC型CPT系统包括高频全桥逆变电路、包含原边第一补偿电感L

原边第一补偿电感L

此外，在对参数进行设置时，预先给定工作频率ω、输入直流电压V

所述原边等效自容C

C

C

其中，C

所述原边LC补偿网络和副边LCLC补偿网络的线圈均为低内阻、高Q值。

在满足输入输出特性的CPT系统中可通过寻找合适的原边等效自容C

S1引入原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k；利用α、k以及V

S2得出在原副边相邻极板应力相等情况下的α的表达式并将其代入到V

S3给出确定的V

S4根据步骤S2和步骤S3中得到的α、k得出在原副边相邻极板的应力相等的条件下的C

S5将上述C

所述原副边补偿不对称系数α和耦合器等效耦合系数k的表达式如下：

所述V

由

当原副边两侧相邻极板电压应力相等时，α的表达式如下：

在此条件下，V

由于相对耦合极板应力|V

即，给定CPT系统直流输入电压V

所述C

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明设计了可以同时实现恒压输出特性和与负载无关的输入阻抗零相角特性的LC-LCLC型CPT系统，在给定设置的参数条件下实现了与CPT系统负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性。

(2)针对耦合极板应力中的同侧相邻极板电压应力以及相对耦合极板电压应力进行了参数优化设计，实现了拓宽连续工作模式下负载范围，在较少器件数量下与双边LCLC电路接近的应力水平，减少系统体积，提高传输功率的目的。

附图说明

图1为LC-LCLC型电容耦合式无线电能传输系统的拓扑结构图。

图2为输出电压V

图3为输出电压V

图4为在负载40欧姆时的原副边相邻极板电压V

图5为验证系统可行性的负载40欧姆时的桥臂电压V

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，LC-LCLC型CPT系统包括：高频全桥逆变电路10、包含原边第一补偿电感L

原边第一补偿电感L

具体的CPT系统的补偿网络参数设置和调整方法如下：

给定工作频率ω、输入直流电压V

其中，L

原边等效自容值C

C

C

其中，C

具体的极板应力优化方法如下：

选定工作角频率ω以及输入电压V

定义

则

求解原副边两侧相邻极板电压应力相等的条件简化分析得出α如下：

在此条件下两侧电压应力相等，即V

此时耦合极板电压应力V

根据式(12)中的α和结合式(13)、式(14)选择的k，可以求出所需要的原边等效自容值C

将计算出的C

根据计算得出的数值设置参数即可实现与CPT系统负载无关的零相角输入阻抗的恒压输出特性，并能拓宽连续工作模式下负载范围、减少系统体积、提高传输功率。

图2和图3展示了负载电阻R

图4验证了极板应力优化方法的可行性,在给定额定功率和极板参数时，可以设计出较低的相对耦合极板电压应力和同侧相邻极板电压应力，图中展示了原边相邻极板电压V

图5展示了负载电阻R