一种具有恒流输出特性的无线电能传输补偿网络

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体是涉及一种具有恒流输出特性的无线电能传输补偿网络。

背景技术

根据传输机理不同，无线电能传输主要划分为4种形式：电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式和超声波耦合式。目前，在电气学科领域内比较多关注的是磁场耦合式无线电能传输，该方式通过发送和接收线圈之间的交变耦合磁场实现能量的传递。磁场耦合式又分为谐振式和感应式，其中，磁耦合谐振式无线电能传输主要利用谐振原理，实现电能在中、远距离传输时有较大的功率和较高的效率。它与磁耦合感应式无线电能传输(inductively coupled power transfer，ICPT)技术相比，具有传输距离较远，且不受中间非磁性障碍物影响的优点，是一种应用前景更广、使用更加便捷的新型无线电能传输技术。MCR-WPT系统主要由磁场驱动装置、磁耦合谐振网络和能量接收装置等部分组成。其中，由谐振线圈(发送和接收线圈)和电容构成的磁耦合谐振补偿网络，是系统实现能量高效传输的关键部分，直接影响整个系统传输的功率和效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有恒流输出特性的无线电能传输补偿网络，通过补偿网络研究和设计实现系统恒流输出；基于二端口A参数理论，提出并详细推导一种新型的谐振补偿网络，该补偿网络不仅实现系统输出电流增益的负载无关性，验证了新型补偿网络的可行性和优良特性。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种具有恒流输出特性的无线电能补偿网络；所述补偿网络包括原边补偿网络、磁耦合系统和副边补偿网络；

原边补偿网络输入端连接E类放大电路，输出端连接磁耦合系统的发射线圈；副边补偿网络的输入端连接磁耦合系统的接收线圈，输出端连接负载；

原边补偿网络和副边补偿网络均为T型，原边补偿网络由第一补偿电感L3、第一补偿电容C3和第二补偿电容C4组成，且第一补偿电感L3和第二补偿电容C4与磁耦合系统的发射线圈串联，第一补偿电容C3与发射线圈并联；

副边补偿网络由第二补偿电感L7、第三补偿电容C5和第四补偿电容C6组成，且第二补偿电感L7和第三补偿电容C5与磁耦合系统的接收线圈串联，第四补偿电容C6与接收线圈并联；

通过二端口的A参数描述补偿网络的网络特性，基于A参数计算补偿网络中各元件的参数，使得系统的输出电流对输入电压增益与负载变化无关。

作为优选，所述通过二端口的A参数描述补偿网络的网络特性，基于A参数计算补偿网络中各元件的参数，使得系统的输出电流对输入电压增益与负载变化无关的方法具体为：

所述补偿网络使用A参数描述网络外特性；所述补偿网络包括原边补偿网络、副边补偿网络和磁耦合系统，其中，原边补偿网络外特性用A参数A

所述补偿网络由原边补偿网络、副边补偿网络和磁耦合系统相互级联为一个复合二端口，得到A参数矩阵，具体表示如下：

其中，P

A

通过整个补偿网络的A参数矩阵A

其中：G

使G

当原边补偿网络实现稳压输出时，可计算出参数Z

其中，G

A

通过上述公式可计算出副边补偿网络参数Z

故Z

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种新型补偿网络，公开了理论推导步骤及仿真结果验证，通过二端口的A参数描述补偿网络的网络特性，基于A参数计算补偿网络中各元件的参数，实现了在无负反馈的条件下，电流增益具有负载无关性的特性，适用于无线电能补偿网络的恒流型负载，为恒流源负载提供了一种解决方案。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的T/T型补偿网络结构示意图；

图3为本发明具有T/T型补偿网络的WPT系统仿真示意图；

图4为不同负载电阻下的输出电流波形示意图；

图5为无线电能补偿网络实验平台；

图6为样机测试的示波图a；

图7为样机测试的示波图b；

图8为样机测试的示波图c。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本实施例提供了一种具有恒流输出特性的无线电能补偿网络；所述补偿网络包括原边补偿网络、磁耦合系统和副边补偿网络；

原边补偿网络输入端连接无线电能传输系统中的E类放大电路，输出端连接磁耦合系统的发射线圈；副边补偿网络的输入端连接磁耦合系统的接收线圈，输出端连接负载；

原边补偿网络和副边补偿网络均为T型，原边补偿网络由第一补偿电感L3、第一补偿电容C3和第二补偿电容C4组成，且第一补偿电感L3和第二补偿电容C4与磁耦合系统的发射线圈串联，第一补偿电容C3与发射线圈并联；

副边补偿网络由第二补偿电感L7、第三补偿电容C5和第四补偿电容C6组成，且第二补偿电感L7和第三补偿电容C5与磁耦合系统的接收线圈串联，第四补偿电容C6与接收线圈并联；

通过二端口的A参数描述补偿网络的网络特性，基于A参数计算补偿网络中各元件的参数，使得系统的输出电流对输入电压增益与负载变化无关。

作为本实施例的优选实施方式，所述通过二端口的A参数描述补偿网络的网络特性，基于A参数计算补偿网络中各元件的参数，使得系统的输出电流对输入电压增益与负载变化无关的方法具体为：

所述补偿网络使用A参数描述网络外特性；所述补偿网络包括原边补偿网络、副边补偿网络和磁耦合系统，其中，原边补偿网络外特性用A参数A

所述补偿网络由原边补偿网络、副边补偿网络和磁耦合系统相互级联为一个复合二端口，得到A参数矩阵，具体表示如下：

其中，P

A

通过整个补偿网络的A参数矩阵A

其中：G

使G

当原边补偿网络实现稳压输出时，可计算出参数Z

其中，G

A

通过上述公式可计算出副边补偿网络参数Z

故Z

作为本实施例的优选实施方式，为了验证本实施例的有效性和正确性，提供一基于本实施例补偿网络的仿真案例：

使用具有T/T型补偿网络的WPT补偿网络仿真，仿真电路如图3所示，仍然假设补偿网络的工作频率f＝500kHz；输入电压有效值U

A

求得：

其中

图4是不同负载电阻下的输出电流波形，当负载电阻R

建立基于E类放大电路的无线电能补偿网络的实验平台，例图5所示，完整系统包括辅助电源、直流电压源、E类放大器、原边补偿网络、副边补偿网络、发射线圈、接收线圈、负载。实测发射线圈及接收线圈在500kHz下的电感为73uH。

具有恒流输出特性的无线电能补偿网络如图1所示，原边补偿网络的电压增益G

A

用数学及电路知识推导了T/T型补偿网络的无线电能补偿网络具有恒流输出特性。在样机测试时，使负载电阻R

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory；以下简称：ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory；以下简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。