本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸系統(tǒng)電能發(fā)射端諧振結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸(Inductive Contactless Power Transfer，ICPT)系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理，采用電磁諧振的方式，實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸。該技術(shù)相比采用激光、微波載波方式，具有不受中間非磁性障礙物影響、對(duì)生物體影響小的優(yōu)點(diǎn)，是10m以下近距離非接觸傳輸大功率電能的最佳方式之一。ICPT技術(shù)為解決磁懸浮列車移動(dòng)供電、內(nèi)植式醫(yī)療設(shè)備密閉空間供電、水下無(wú)電纜監(jiān)測(cè)電能傳輸、電動(dòng)汽車無(wú)線充電等問(wèn)題提供了一條新的可行解決方案。

ICPT系統(tǒng)發(fā)射端線圈與接收端線圈之間存在較大的氣隙，磁場(chǎng)在氣隙中磁阻較大，發(fā)射端線圈難以形成較為集中的磁路與接收端線圈相耦合。由此產(chǎn)生了發(fā)射端線圈與接收端線圈互感系數(shù)低、線圈漏感大的問(wèn)題。隨著發(fā)射端線圈與接收端間隔距離增大，線圈間互感系數(shù)急劇下降，同時(shí)漏感急劇增大，直接影響了ICPT系統(tǒng)電能傳輸?shù)墓β屎托?。所以目前?shí)用的基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)線電能傳輸技術(shù)均具有針對(duì)線圈漏感的諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也即均為磁耦合諧振式結(jié)構(gòu)。目前現(xiàn)有技術(shù)以一階基本型結(jié)構(gòu)、二階LC結(jié)構(gòu)為主，少數(shù)采用三階諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在三階諧振網(wǎng)絡(luò)方面，大部分借鑒軟開(kāi)關(guān)諧振變換器的思路，以LCL諧振結(jié)構(gòu)為主。

LCL諧振絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)諧振的方式，大幅增加ICPT系統(tǒng)輸出功率能力，同時(shí)利用該結(jié)構(gòu)在諧振時(shí)的選頻特性，使得輸入線圈的電流波形呈現(xiàn)準(zhǔn)正弦波波形，間接減少了電磁干擾。此外，LCL諧振結(jié)構(gòu)還可以解決線圈并聯(lián)電容與高頻逆變器間的環(huán)流問(wèn)題。因此，到目前為止LCL諧振網(wǎng)絡(luò)與其他諧振網(wǎng)絡(luò)相比，具有較為優(yōu)良的性能，是該領(lǐng)域目前主流技術(shù)方向。

目前，采用LCL三階結(jié)構(gòu)作為諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，都是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即二端口網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出完全對(duì)稱，輸入二端口與輸出二端口可以互換。這是為了保證輸入、輸出阻抗無(wú)電抗分量、均呈現(xiàn)純電阻特性而有意為之，意圖達(dá)到逆變器零電壓開(kāi)通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS)的目的。但是該對(duì)稱性結(jié)論是在只分析單一頻率的正弦波情況下得到的，忽略了其他頻率諧波。然而，作為ICPT系統(tǒng)的諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際輸入波形并非單一頻率正弦波，而是方波。電壓型逆變器對(duì)應(yīng)于電壓方波，電流型逆變器對(duì)應(yīng)于電流方波。所以，對(duì)稱型LCL三階結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到輸入輸出阻抗為純電阻的效果。ICPT系統(tǒng)逆變器在開(kāi)關(guān)時(shí)刻，通過(guò)功率管的瞬時(shí)電流值并不為零，導(dǎo)致逆變器處于硬關(guān)斷工作狀態(tài)，產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種LCCL諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)ICPT系統(tǒng)逆變器的零電流關(guān)斷。

本發(fā)明一種LCCL諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置方法，該參數(shù)設(shè)置方法包括：

步驟1：確定LCCL諧振結(jié)構(gòu)采用的共振頻率f₀＝Q_f0，按照公式(1)和公式(2)得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)共振角頻率ω₀：

f₀＝Q_f0 (1)

ω₀＝2πf₀ (2)

步驟2：在發(fā)射端耦合線圈共振頻率f₀下，測(cè)定ICPT電能發(fā)射端線圈電感L‘₂的電感值L₂為Q_L2，ICPT電能發(fā)射端線圈交流電阻R‘_l的電阻值R_l為Q_Rl，這時(shí)R_l＝Q_Rl，測(cè)定ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z’_f的反射阻抗值Z_f(在發(fā)射端耦合線圈共振頻率f₀下測(cè)定)，將Z_f電阻部分記為Q_Zf，Z_f＝Q_Zf；

步驟3：利用基波電流補(bǔ)償高次諧波電流的方法確定LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系：

L₂＝Q_L2 (3D)

R_l＝Q_Rl (3E)

Z_f＝Q_Zf (3F)

步驟4：根據(jù)步驟3的LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系，得到LCCL結(jié)構(gòu)元器件電壓滿足關(guān)系：

U_L1＝I_out(R_l+Z_f) (4C)

U_L2＝ω₀I_outL₂ (4D)

步驟5：根據(jù)步驟3的LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系，得到LCCL結(jié)構(gòu)元器件電流滿足關(guān)系：

I_C2＝I_out (5B)

I_L2＝I_out (5D)

步驟6：確定LCCL諧振結(jié)構(gòu)額定輸出功率P_out,nom，從而得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸出功率P_out滿足關(guān)系：

P_out＝I_out²(Z_f)≥P_out,nom (6)

步驟7：確定電容C‘₁耐壓值U_C1的最大值U_C1max，電容C’₂耐壓值U_C2的最大值U_C2max，電感L’₁耐壓值U_L1的最大值U_L1max，電感L‘₂耐壓值U_L2的最大值U_L2max，得到元器件的耐壓滿足條件：

0＜U_C1≤U_C1max (7A)

0＜U_C2≤U_C2max (7B)

0＜U_L1≤U_L1max (7C)

0＜U_L2≤U_L2max (7D)

步驟8：確定電容C‘₁允許流過(guò)電流值I_C1的最大值I_C1max，電容C‘₂允許流過(guò)電流值I_C2的最大值I_C2max，電感L’₁允許流過(guò)電流值I_L1的最大值I_L1max，電感L‘₂允許流過(guò)電流值I_L2的最大值I_L2max，從而得到元器件允許通過(guò)電流值滿足條件：

0＜I_C1≤I_C1max (8A)

0＜I_C2≤I_C2max (8B)

0＜I_L1≤I_L1max (8C)

0＜I_L2≤I_L2max (8D)

步驟9：確定電容C‘₁在實(shí)際情況下獲得電容值C₁的最小參數(shù)值C_1min，確定電容C‘₁在實(shí)際情況下獲得電容值C₁的最大參數(shù)值C_1max；

確定電容C’₂在實(shí)際情況下獲得電容值C₂的最小參數(shù)值C_2min，確定電容C’₂在實(shí)際情況下獲得電容值C₂的最大參數(shù)值C_2max；

確定電感L’₁在實(shí)際情況下獲得電感值L₁的最小參數(shù)值L_1min，確定電感L’₁在實(shí)際情況下獲得電感值L₁的最大參數(shù)值

從而得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)的元器件參數(shù)實(shí)際取值滿足條件：

C_1min≤C₁≤C_1max (9A)

C_2min≤C₂≤C_2max (9B)

步驟10：確定U_C1權(quán)重系數(shù)k₁，U_C2權(quán)重系數(shù)k₂，U_L1權(quán)重系數(shù)k₃，U_L2權(quán)重系數(shù)k₄，I_C1權(quán)重系數(shù)k₅，I_C2權(quán)重系數(shù)k₆，I_L1權(quán)重系數(shù)k₇，I_L2權(quán)重系數(shù)k₈，從而得到為達(dá)到LCCL諧振結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)值的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

Z＝k₁U_C1²+k₂U_C2²+k₃U_L1²+k₄U_L2²+k₅I_C1²+k₆I_C2²+k₇I_L1²+k₈I_L2² (10)

步驟11：建立非線性規(guī)劃問(wèn)題，其中以V_in、I_out為決策變量，目標(biāo)函數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，步驟1、步驟3到步驟10所得到的等式關(guān)系及不等式關(guān)系為約束條件；

步驟12：求解步驟12中的非線性規(guī)劃問(wèn)題，得到滿足LCCL諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)L₁、C₁、C₂以及V_in的值；

步驟13：計(jì)算ICPT系統(tǒng)逆變器側(cè)對(duì)應(yīng)LCCL諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)的等效直流電壓值V_dc：

進(jìn)一步地，在實(shí)際連接導(dǎo)線帶寬低于100倍基波頻率時(shí)，步驟3中的LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系：

本發(fā)明中的LCCL結(jié)構(gòu)包括諧振電感，ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈，并聯(lián)諧振電容，串聯(lián)諧振電容，ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈與串聯(lián)諧振電容串聯(lián)之后，再與并聯(lián)諧振電容并聯(lián)之后，再與諧振電感串聯(lián)，該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的等效電路為：電感L‘₂、電容C’₂、ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈交流電阻R‘_l、ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z’_f形成串聯(lián)支路后，再與電容C‘₁形成并聯(lián)支路，最后與電感L’₁形成串聯(lián)支路，相應(yīng)地，R_l為R‘_l的電阻值，Z_f為Z’_f的反射阻抗值，C₁表示電容C‘₁的電容容值，C₂表示電容C’₂的電容容值，L₁表示電感L’₁的電感值，L₂表示電感L‘₂的電感值。特別說(shuō)明在電路中的電感L‘₂、電容C’₂、ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈交流電阻R‘_l、ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z’_f、電容C‘₁、電感L’₁均為L(zhǎng)CCL結(jié)構(gòu)的元器件，并且滿足：

諧振電感與串聯(lián)諧振電容在角頻率ω₀處形成諧振，即

Z_f可分解為電抗分量X_f和電阻分量R_f，在ICPT系統(tǒng)電能接收端側(cè)進(jìn)行阻抗變換消除其電抗分量X_f，只保留其電阻分量R_f；

C₂的值大于且小于

在ICPT系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，一般只有一個(gè)電容，這時(shí)稱為L(zhǎng)CL諧振結(jié)構(gòu)。由于L₂為ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈電感，通常呈現(xiàn)較大感抗，直接向LCL諧振結(jié)構(gòu)注入高頻交流電，會(huì)導(dǎo)致注入LCL諧振結(jié)構(gòu)的電流值幅值過(guò)小，不能有效的帶動(dòng)LCL諧振結(jié)構(gòu)后接的ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻交變磁場(chǎng)。所以，會(huì)在ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈上串聯(lián)一個(gè)串聯(lián)諧振電容，消除ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈的一部分感抗，從而降低諧振結(jié)構(gòu)的輸入電阻，提升流過(guò)線圈的高頻交變電流幅值。

首先明確該LCCL諧振結(jié)構(gòu)中參數(shù)的意義，P_out,nom為輸出LCCL諧振結(jié)構(gòu)額定輸出功率、f₀為L(zhǎng)CCL結(jié)構(gòu)共振頻率、V_in為L(zhǎng)CCL結(jié)構(gòu)輸入電壓有效值，R_f為ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗的電阻分量，X_f為ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗的電抗分量。在發(fā)射端耦合線圈共振頻率f₀時(shí)，測(cè)定ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z_f、發(fā)射線圈電感L₂，并將Z_f電阻分量記為R_f，電抗分量記為X_f。

在ICPT系統(tǒng)逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)刻，基波下LCCL諧振結(jié)構(gòu)的輸入基波電流值表達(dá)式(11)：

其中，

式中V_dc為ICPT系統(tǒng)逆變器輸出電壓幅值，I_in,1為L(zhǎng)CCL諧振結(jié)構(gòu)的輸入基波電流值表達(dá)式，I_in,off,1為ICPT系統(tǒng)逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)刻LCCL諧振結(jié)構(gòu)的輸入基波電流值表達(dá)式，C₂、I_in,1為未知量。

若忽略逆變器的死區(qū)中斷可以將逆變器輸出的方波電壓值展開(kāi)成式(8)所示傅里葉級(jí)數(shù)形式，其中t＝0時(shí)對(duì)應(yīng)于ICPT系統(tǒng)逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)刻。

由于LCCL型諧振網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)具有良好的低通濾波特性，若只考慮V_in基波，忽略高次諧波，得到V_in的近似值：

根據(jù)LCCL電路結(jié)構(gòu)，有(15A)(15B)所示關(guān)系：

當(dāng)L₁與C₁滿足式(16)時(shí)，線圈注入電流值I_out僅與LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)二端口輸入電壓V_in有關(guān)，與反射阻抗Z_f無(wú)關(guān)。

此時(shí)L₁與C₁在角頻率為基波角頻率ω₀時(shí)形成諧振。從而有式(17)成立。

I_out＝-jω₀C₁V_in (17)

只考慮基波時(shí)，LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流值為

式(18)為忽略高次諧波情況下的LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)二端口輸入電流，I_in中除基波電流I_in,1外，還包含有大量的高次諧波電流I_in,n(n＝3,5,7,…)。通過(guò)傅里葉分解可以把I_in展開(kāi)成式(19)的形式，

當(dāng)t＝0時(shí)，對(duì)應(yīng)于ICPT系統(tǒng)逆變器的開(kāi)關(guān)時(shí)刻。開(kāi)關(guān)時(shí)刻逆變器輸出電流各諧波總和為

當(dāng)電能接收端為電容串聯(lián)補(bǔ)償形式時(shí)，反射電阻和反射電抗隨著諧波次數(shù)增高，呈現(xiàn)式(21)、(22)趨勢(shì)。其中，R_f,n,ser為ICPT系統(tǒng)電能接收端采用電容串聯(lián)補(bǔ)償形式時(shí)反射到電能發(fā)射端的反射電阻值，X_f,n,ser為ICPT系統(tǒng)電能接收端采用電容串聯(lián)補(bǔ)償形式時(shí)反射到電能發(fā)射端的反射電抗值，R_load,0為電能接收端負(fù)載電阻，n為諧波階數(shù)，Q為電能接受端諧振電路品質(zhì)因數(shù)，∝表示正比關(guān)系。

X_f,n,ser∝n (22)

當(dāng)電能接收端補(bǔ)償形式為電容并聯(lián)時(shí)，反射電阻為0，反射電抗隨著諧波次數(shù)增高，如式(23)、(24)所示。其中，R_f,n,par為ICPT系統(tǒng)電能接收端采用電容并聯(lián)補(bǔ)償形式時(shí)反射到電能發(fā)射端的反射電阻值，X_f,n,par為ICPT系統(tǒng)電能接收端采用電容并聯(lián)補(bǔ)償形式時(shí)反射到電能發(fā)射端的反射電抗值，n為諧波階數(shù)，∝表示正比關(guān)系。

X_f,n,par∝n (24)

可知，當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí)，耦合線圈輸入端電抗隨著諧波次數(shù)增大而增大，而與耦合線圈支路并聯(lián)的C₁電容支路，電抗卻迅速較小。所以，在進(jìn)行高次諧波電流計(jì)算時(shí)，可以忽略耦合器輸入端口電流，簡(jiǎn)化掉耦合器電流支路,當(dāng)角頻率ω＝nω₀時(shí)，LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸入阻抗為

令則式(25)可簡(jiǎn)化為

所以式(11)成立。LCCL諧振結(jié)構(gòu)的輸入高次諧波電流瞬時(shí)值I_in,off,n表示為式(27)：

從而有

又因?yàn)?/p>

所以，

由于基波頻率大都在20kHz以上，實(shí)際線路中在超過(guò)100次諧波之后，高次諧波頻率已經(jīng)在2MHz以上，受LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)的高阻特性及連接LCCL元件電纜帶寬限制，第101次諧波對(duì)I_in,off,high的影響僅為0.001％，第101次及其以上諧波分量對(duì)I_in,off,high的影響已經(jīng)較小，可以忽略不計(jì)。故采用計(jì)算機(jī)編程可以計(jì)算出在低于100次諧波下的所有高次諧波電流值I_in,off,high近似值(不含基波分量)如式(29)：

將逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)刻基波電流I_in,off,1和高次諧波電流I_in,off,high相加，得到在逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)刻通過(guò)LCCL諧振結(jié)構(gòu)的總電流瞬時(shí)值I_in(t＝0)，按照式(26)計(jì)算：

很顯然式(31)成立，

即

在實(shí)際環(huán)境中，受導(dǎo)線帶寬限制，一般僅考慮基波和100次以下諧波，為使在逆變器處于零電流關(guān)斷狀態(tài)，在逆變器開(kāi)關(guān)瞬間需要保證輸出電流與輸出電壓同相位，應(yīng)滿足式(33)：

由于ICPT系統(tǒng)中電能接收端一般采取功率因數(shù)校正技術(shù)，此時(shí)電能接收端滿足X_f＝0，從而C₂滿足：

所以，由式(32)，相應(yīng)地C₂滿足的范圍為

進(jìn)一步，對(duì)LCCL諧振結(jié)構(gòu)的工作特性進(jìn)行分析，分析式(18)可知，在基波角頻率ω₀下，LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)輸入基波電流I_in,1包含基波有功電流分量I_in,1,a和基波無(wú)功電流分量I_in,1,r，可描述為式(35-37)

I_in,1＝I_in,1,a+I_in,1,r (35)

I_in,1,a＝V_inω₀²C₁²(R_l+Z_f) (36)

當(dāng)采用本發(fā)明LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在基波角頻率ω₀下輸入LCL諧振網(wǎng)絡(luò)的基波無(wú)功電流為

其中C_2,sym為采用對(duì)稱型LCL諧振網(wǎng)絡(luò)C₂的電容值，C_2,asym為采用本發(fā)明所提出的LCCL型諧振網(wǎng)絡(luò)C₂電容值，用下標(biāo)區(qū)分對(duì)稱型LCL諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和本發(fā)明所提出LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，下標(biāo)sym對(duì)應(yīng)對(duì)稱(symmetry)型LCL諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，下標(biāo)asym對(duì)應(yīng)本發(fā)明提出的LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

此時(shí)，基波無(wú)功電流相位超前LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)輸入端口電壓相位π/2，在基波角頻率ω₀下LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)基波呈現(xiàn)阻容性，導(dǎo)致基波電流相位超前逆變器輸出電壓相位。通過(guò)利用基波無(wú)功電流的超前輸入電壓相位來(lái)補(bǔ)償高次電流諧波落后輸入電壓相位的方法，在逆變器關(guān)斷時(shí)刻形成零電流狀態(tài)或者近似零電流狀態(tài)，從而大大減小逆變器開(kāi)關(guān)損耗，提升ICPT系統(tǒng)在電能發(fā)射端的效率。此外，也有助于降低逆變器緩沖電路中對(duì)尖峰吸收電容的容值和性能要求，減少逆變器關(guān)斷時(shí)刻的電磁干擾。

但是，采用本發(fā)明LCCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，引入了部分基波無(wú)功電流，導(dǎo)致了一定程度上的視在功率增加。具體表現(xiàn)在采用本發(fā)明LCCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，逆變器通態(tài)電流有效值略大于采用對(duì)稱型LCL結(jié)構(gòu)時(shí)的電流有效值。本發(fā)明實(shí)質(zhì)是利用較小程度的增加逆變器的通態(tài)損耗來(lái)較大程度上降低逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。下面進(jìn)行定量分析。

輸入LCCL諧振結(jié)構(gòu)的基波的有功功率和無(wú)功功率可以表示為式(39-41)，

Q_1,sym＝0 (41)

P_1.sym為對(duì)稱型LCL諧振結(jié)構(gòu)輸出的有功功率，P_1.asym為具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸出的有功功率，Q_1.sym為對(duì)稱型LCL諧振結(jié)構(gòu)輸出的無(wú)功功率，Q_1.asym為具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸出的無(wú)功功率，V_in,1為ICPT系統(tǒng)逆變器輸出電壓的基波電壓有效值。

由圖3的高次諧波下的LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型可知，高次諧波對(duì)本發(fā)明的LCCL諧振結(jié)構(gòu)中的耦合線圈不提供有功功率，僅基波對(duì)耦合線圈提供有功功率，高次諧波僅提供無(wú)功功率，由式(26)可得，兩種結(jié)構(gòu)下高次諧波的無(wú)功功率為，

式中Q_n.sym為對(duì)稱型LCL諧振結(jié)構(gòu)n次諧波輸出的無(wú)功功率，Q_n.sym為本發(fā)明LCCL諧振結(jié)構(gòu)n次諧波輸出的無(wú)功功率，V_in,n為ICPT系統(tǒng)逆變器輸出電壓的n次諧波電壓有效值，n為諧波次數(shù)。

總高次諧波無(wú)功功率為

受實(shí)際連接導(dǎo)線帶寬限制，一般僅計(jì)算100次以下諧波，由計(jì)算機(jī)編程可計(jì)算式(43)結(jié)果如式(44)所示

對(duì)稱LCL諧振結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、本發(fā)明的LCCL諧振結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)輸入視在功率，也即采用對(duì)稱LCL諧振結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、本發(fā)明的LCCL諧振結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)逆變器輸出視在功率為，

式中S_sym為采用對(duì)稱LCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)逆變器輸出視在功率，S_asym為具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)逆變器輸出視在功率。

由式(45)、(46)可知，視在功率與耦合器內(nèi)阻R_l、電能接收端反射電阻R_f、基波頻率下L₁電抗值Z₁有關(guān)。由于兩種不同類型諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓相同，可由式(45)、(46)計(jì)算采用兩種不同類型諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)逆變器輸出電流有效值之比為

在實(shí)際應(yīng)用中，由于ICPT系統(tǒng)典型工作頻率都在20kHz以上，采用具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL結(jié)構(gòu)所增加的ICPT系統(tǒng)逆變器通態(tài)損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL結(jié)構(gòu)所減少的ICPT系統(tǒng)逆變器開(kāi)關(guān)損耗。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，采用具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL結(jié)構(gòu)能較大程度上減少ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端的損耗，提升ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端的效率。此外，由于采用本發(fā)明的LCCL諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了ICPT系統(tǒng)逆變器功率管的零電流關(guān)斷，降低了功率管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，可以較大程度上降低ICPT系統(tǒng)逆變器產(chǎn)生的電磁干擾。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置方法，使得在功率管關(guān)斷時(shí)刻通過(guò)的電流瞬時(shí)值為零，實(shí)現(xiàn)了功率管的零電流關(guān)斷，減小了功率管的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力。

(2)LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸出電流有效值(也即線圈注入電流有效值)I_out為I_out＝-jω₀C₁V_in，與反射阻抗中的電阻分量R_f無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了ICPT系統(tǒng)的電能發(fā)射端與接收端的解耦設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2是本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖。

圖3是高次諧波下的LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型的示意圖。

圖4是當(dāng)采用本發(fā)明參數(shù)設(shè)計(jì)方法時(shí)，LCCL諧振結(jié)構(gòu)的輸出電壓、電流、ICPT系統(tǒng)逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖5是在接近滿載工況下本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸入電流波形圖。

圖6是接近空載工況下本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸入電流波形圖。

圖7是ICPT系統(tǒng)逆變器輸出電流有效值比值變化趨勢(shì)圖。

圖8是采用傳統(tǒng)LCL諧振結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的LCCL諧振結(jié)構(gòu)下ICPT系統(tǒng)逆變器單個(gè)IGBT損耗趨勢(shì)對(duì)比圖。

圖9是本發(fā)明提出的一種LCCL諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提出的一種用于ICPT系統(tǒng)的LCCL型諧振結(jié)構(gòu),如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括：諧振電感110，ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈111，并聯(lián)諧振電容211，串聯(lián)諧振電容210，ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈111與串聯(lián)諧振電容210串聯(lián)之后，再與并聯(lián)諧振電容211并聯(lián)之后，再與諧振電感110串聯(lián)。其對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2所示，該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的等效電路為：電感L‘₂、電容C’₂、ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端線圈交流電阻R‘_l、ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z’_f形成串聯(lián)支路后，再與電容C‘₁形成并聯(lián)支路，最后與電感L’₁形成串聯(lián)支路，相應(yīng)地，R_l為R‘_l的電阻值，Z_f為Z’_f的反射阻抗值，C₁表示電容C‘₁的電容容值，C₂表示電容C’₂的電容容值，L₁表示電感L’₁的電感值，L₂表示電感L‘₂的電感值。Q₁、Q₂、Q₃、Q₄為開(kāi)關(guān)管，D₁、D₂、D₃、D₄為二極管，實(shí)施例ICPT系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)管選取為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。D₁、D₂、D₃、D₄為對(duì)應(yīng)IGBT的反并聯(lián)二極管，本實(shí)施例采用快恢復(fù)二極管。電容C₁、C₂采用金屬化聚丙烯電容。。V_in為L(zhǎng)CCL諧振結(jié)構(gòu)輸入電壓有效值，本實(shí)施例V_in電壓為129V。

圖3是高次諧波下的一種LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型的示意圖。當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí)，耦合線圈輸入端電抗隨著諧波次數(shù)增大而增大，而與耦合線圈支路并聯(lián)的C₁電容支路，電抗卻迅速較小。所以，在進(jìn)行高次諧波電流計(jì)算時(shí)，可以忽略耦合器輸入端口電流，簡(jiǎn)化掉耦合器電流支路，如圖3中的虛線部分所示，圖3中的實(shí)線部分構(gòu)成LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型。

圖5為采用本實(shí)施例參數(shù)時(shí)，本發(fā)明提出的一種ICPT系統(tǒng)LCCL型諧振結(jié)構(gòu)輸入電流波形圖。電壓探頭信號(hào)帶寬為200MHz，電流探頭信號(hào)帶寬為100MHz，為更清晰的觀察樣機(jī)的電壓和電流尖峰情況，關(guān)閉了示波器的噪聲濾波器。圖4中從上往下，1通道信號(hào)為逆變器單一IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓波形，2通道為逆變器單一IGBT的集電極-發(fā)射極之間的電壓V_ce波形，4通道為L(zhǎng)CCL諧振網(wǎng)路輸入電流波形。

圖6為采用本實(shí)施例參數(shù)時(shí)，ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗變小，ICPT系統(tǒng)電能發(fā)射端接近空載時(shí)，本發(fā)明提出的一種ICPT系統(tǒng)LCCL型諧振結(jié)構(gòu)輸入電流波形圖。圖5中從上往下，1通道信號(hào)為逆變器單一IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓波形，2通道為逆變器單一IGBT的集電極-發(fā)射極之間的電壓V_ce波形，4通道為L(zhǎng)CCL諧振網(wǎng)路輸入電流波形。

由圖5、6可見(jiàn)，本發(fā)明提出的一種LCCL諧振結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)ICPT系統(tǒng)的逆變器功率管的零電流關(guān)斷。可以減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，提高ICPT系統(tǒng)的整體效率。

圖7給出了(R_l+R_f)/Z₁對(duì)I_asym(rms)/I_sym(rms)的影響仿真圖，觀察圖7可知當(dāng)(R_l+R_f)/Z₁＝0時(shí)，I_asym(rms)/I_sym(rms)的比值最大，約為3.3倍，該最大比值對(duì)應(yīng)于忽略耦合器內(nèi)阻R_l、且無(wú)反射阻抗(電能接收端零負(fù)載)的情況。由于Z₁為L(zhǎng)CCL諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，該參數(shù)為固定值。R_l為耦合器內(nèi)阻參數(shù)，該參數(shù)也是固定值。只有R_f為反射阻抗，在ICPT系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)隨著負(fù)載的工作狀態(tài)而改變。由圖7可見(jiàn)，隨著R_f增大，(R_l+R_f)/Z₁的比值也隨之增大，逆變器輸出電流有效值比值降低，并迅速趨向于1，當(dāng)(R_l+R_f)/Z₁的比值為2時(shí)，I_asym(rms)/I_sym(rms)比值為1.004，即采用本發(fā)明的LCCL結(jié)構(gòu)時(shí)逆變器輸出電流有效值比采用傳統(tǒng)的LCL結(jié)構(gòu)時(shí)電流有效值僅增加了0.4％，由此增加的開(kāi)關(guān)管通態(tài)損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

圖8是采用傳統(tǒng)LCL諧振結(jié)構(gòu)和采用具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL諧振結(jié)構(gòu)下ICPT系統(tǒng)逆變器單個(gè)IGBT損耗趨勢(shì)對(duì)比圖。曲面1表示采用傳統(tǒng)LCL諧振結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下逆變器單個(gè)IGBT損耗趨勢(shì)變化圖；曲面2表示采用具有本發(fā)明參數(shù)關(guān)系的LCCL諧振結(jié)構(gòu)下逆變器單個(gè)IGBT損耗趨勢(shì)變化圖。由圖7可見(jiàn)，采用兩種不同諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著諧振結(jié)構(gòu)輸出電流幅值增加、逆變器開(kāi)關(guān)頻率增大，逆變器IGBT的損耗功率趨勢(shì)都是逐漸增大。但是采用傳統(tǒng)的LCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加IGBT的損耗功率增加較快。在開(kāi)關(guān)頻率500Hz以上時(shí)，采用傳統(tǒng)的LCL諧振結(jié)構(gòu)，逆變器的單個(gè)IGBT損耗功率較大，明顯超過(guò)采用本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)IGBT的損耗功率。而ICPT系統(tǒng)的逆變器典型工作頻率都在20kHz之上，故采用本發(fā)明LCCL諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，能有效降低逆變器損耗，提升ICPT系統(tǒng)整體效率。

進(jìn)一步地，按照?qǐng)D9所示的流程圖，舉例說(shuō)明本發(fā)明的參數(shù)設(shè)置方法的具體實(shí)施步驟：

步驟1：首先確定LCCL諧振結(jié)構(gòu)采用的共振頻率f₀＝Q_f0＝40000Hz，得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)共振角頻率等式約束條件：

f₀＝Q_f0＝40000Hz

ω₀＝2πf₀＝2×π×40000rad/s

步驟2：在發(fā)射端耦合線圈共振頻率f₀＝40000Hz下，測(cè)定ICPT電能發(fā)射端線圈電感L₂的值為Q_L2＝105.6965μH，ICPT電能發(fā)射端線圈交流內(nèi)阻R_l的值為Q_Rl＝0.05Ω，測(cè)定ICPT系統(tǒng)電能接收端反射阻抗Z_f＝2Ω(在發(fā)射端耦合線圈共振頻率f₀下測(cè)定)，將Z_f電阻部分記為Q_Zf＝2Ω。

步驟3：由LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系，得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)間關(guān)系等式約束條件：

L₂＝Q_L2

R_l＝Q_Rl

Z_f＝Q_Zf

步驟4：本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)關(guān)系，得到LCCL結(jié)構(gòu)元件電壓等式約束條件：

U_L1＝I_out(R_l+Z_f)

U_L2＝ω₀I_outL₂

步驟5：根據(jù)本發(fā)明提出的LCCL諧振結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)關(guān)系，得到LCCL結(jié)構(gòu)元器件電流等式約束條件：

I_C2＝I_out

I_L2＝I_out

步驟6：確定LCCL諧振結(jié)構(gòu)額定輸出功率P_out,nom＝1000W，得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸出功率不等式約束條件：

P_out＝I_out²(Z_f)≥1000W

步驟7：確定電容C‘₁耐壓值U_C1的最大值U_C1max＝2500V，電容C’₂耐壓值U_C2的最大值U_C2max＝2500V，電感L’₁耐壓值U_L1的最大值U_L1max＝2000V，電感L‘₂耐壓值U_L2的最大值U_L2max＝1000V，得到元器件的耐壓不等式約束條件：

0＜U_C1≤2500V

0＜U_C2≤2500V

0＜U_L1≤2000V

0＜U_L2≤1000V

步驟8：確定電容C‘₁允許流過(guò)電流值I_C1的最大值I_C1max＝40A，電容C‘₂允許流過(guò)電流值I_C2的最大值I_C2max＝40A，電感L’₁允許流過(guò)電流值I_L1的最大值I_L1max＝40A，電感L‘₂允許流過(guò)電流值I_L2max＝40A，得到元器件允許通過(guò)電流值不等式約束條件：

0＜I_C1≤40A

0＜I_C2≤40A

0＜I_L1≤40A

0＜I_L2≤40A

步驟9：確定電容C‘₁在實(shí)際情況下獲得電容值C₁的最小參數(shù)值C_1min＝0.01μF，確定電容C‘₁在實(shí)際情況下獲得電容值C₁的最大參數(shù)值C_1max＝1.32μF。

確定電容C’₂在實(shí)際情況下獲得電容值C₂的最小參數(shù)值C_2min＝0.01μF，確定電容C’₂在實(shí)際情況下獲得電容值C₂的最大參數(shù)值C_2max＝1.32μF。

確定電感L’₁在實(shí)際情況下獲得電感值L₁的最小參數(shù)值L_1min＝0μH，確定電感L’₁在實(shí)際情況下獲得電感值L₁的最大參數(shù)值：

得到LCCL諧振結(jié)構(gòu)的元器件參數(shù)實(shí)際可取值不等式約束條件：

0.01μF≤C₁≤1.32μF

0.01μF≤C₂≤1.32μF

0μH≤L₁≤84.5572μH

步驟10：確定U_C1權(quán)重系數(shù)k₁＝1，確定U_C2權(quán)重系數(shù)k₂＝1，確定U_L1權(quán)重系數(shù)k₃＝1，確定U_L2權(quán)重系數(shù)k₄＝1，確定I_C1權(quán)重系數(shù)k₅＝625，確定I_C2權(quán)重系數(shù)k₆＝625，確定I_L1權(quán)重系數(shù)k₇＝625，確定I_L2權(quán)重系數(shù)k₈＝625。得到為達(dá)到LCCL諧振結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)值的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

Z＝U_C1²+U_C2²+U_L1²+U_L2²+625×(I_C1²+I_C2²+I_L1²+I_L2²)

步驟11：以V_in、I_out為決策變量，目標(biāo)函數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，步驟1、步驟3到步驟10所得到的等式關(guān)系及不等式關(guān)系為約束條件，建立非線性規(guī)劃問(wèn)題：

min Z＝U_C1²+U_C2²+U_L1²+U_L2²+625×(I_C1²+I_C2²+I_L1²+I_L2²)

滿足

(a)LCCL元件關(guān)系約束

L₂＝Q_L2

R_l＝Q_Rl

Z_f＝Q_Zf

(b)共振頻率約束

f₀＝Q_f0＝40000Hz

ω₀＝2πf₀＝2×π×40000rad/s

(c)LCCL結(jié)構(gòu)元件電壓關(guān)系

U_L1＝I_out(R_l+Z_f)

U_L2＝ω₀I_outL₂

(d)LCCL結(jié)構(gòu)元件電流關(guān)系

I_C2＝I_out

I_L2＝I_out

(e)LCCL結(jié)構(gòu)輸出功率約束

P_out＝I_out²(Z_f)≥1000W

(f)元器件耐壓值約束

0＜U_C1≤2500V

0＜U_C2≤2500V

0＜U_L1≤2000V

0＜U_L2≤1000V

(g)元器件最大允許流過(guò)電流值約束

0＜I_C1≤40A

0＜I_C2≤40A

0＜I_L1≤40A

0＜I_L2≤40A

(h)元器件參數(shù)實(shí)際可取值約束

0.01μF≤C₁≤1.32μF

0.01μF≤C₂≤1.32μF

0μH≤L₁≤84.5572μH

步驟12：求解上述非線性規(guī)劃問(wèn)題，得到滿足實(shí)際使用要求的LCCL諧振結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)值L₁、C₁、C₂，以及V_in的值。結(jié)果如下：

C₁≈0.2892μF

C₂≈0.4218μF

L₁≈54.75μH

V_in≈307.69V

步驟13：計(jì)算ICPT系統(tǒng)逆變器側(cè)對(duì)應(yīng)LCCL諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)的等效直流電壓值V_dc。

圖4表示當(dāng)采用本發(fā)明參數(shù)設(shè)計(jì)方法時(shí)，本實(shí)施例LCCL諧振結(jié)構(gòu)的輸出電壓、電流、ICPT系統(tǒng)逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4中從上往下，為L(zhǎng)CCL諧振結(jié)構(gòu)輸入電壓波形、LCCL諧振結(jié)構(gòu)輸入電流波形、逆變器單一IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)1、逆變器單一IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)2。

由圖4可見(jiàn)，由圖中虛線對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)時(shí)刻逆變器輸出電流瞬時(shí)值可見(jiàn)，在逆變器IGBT關(guān)斷瞬間，IGBT電流值減小到0，已經(jīng)進(jìn)入了反并聯(lián)二極管續(xù)流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了逆變器開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷。

以上是本發(fā)明的實(shí)施例，只是為了進(jìn)一步說(shuō)明所舉出的實(shí)例，而非對(duì)實(shí)施方法的限定。在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上可以做出其它形式的變化，在此無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡依本發(fā)明技術(shù)方案所做的改變，所采用的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。