本發(fā)明涉及具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路，屬于無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的纜線電能傳輸方式相比，無線電能傳輸作為一種新的電能傳輸方法，具有非常明顯的優(yōu)點，如更加方便、安全可靠、不受外部天氣狀況的影響等，因此，無線電能傳輸技術(shù)在各個領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。合適的補償拓撲能夠有效地降低電源的功率等級，提高系統(tǒng)的功率因素，同時獲得良好的輸出特性，但是已有的補償拓撲存在如下問題：

1、系統(tǒng)最大輸出功率受到松耦合變壓器參數(shù)的限制

目前一些無線電能傳輸?shù)难a償拓撲中，如ss、sp、ps、pp、s/sp補償拓撲，系統(tǒng)最大輸出功率與松耦合變壓器參數(shù)直接相關(guān)，只要松耦合變壓器參數(shù)確定，系統(tǒng)最大輸出功率就確定。若想改變系統(tǒng)的最大輸出功率，需要重新制作松耦合變壓器，但是制作符合要求的松耦合變壓器需要大量的時間和人力，成本過高，效率低下。

2、補償模型過于理想化，不合實際

理想情況下的理論分析表明，雙邊lcl補償拓撲的輸出特性等性能指標均滿足要求，但在實際應用時，雙邊lcl補償拓撲不滿足要求，主要原因是補償模型過于理想。

3、補償元件數(shù)目過多，系統(tǒng)成本較高，尺寸較大，損耗較多

雙邊lcc補償拓撲的輸出特性等性能指標均滿足要求，但是雙邊lcc補償拓撲需要6個補償元件(4個補償電容，2個補償電感)，導致系統(tǒng)成本、尺寸及損耗的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決已存在的無線電能傳輸補償拓撲若想改變系統(tǒng)的最大輸出功率，需要重新制作松耦合變壓器或者增加補償元件數(shù)目，耗時耗力，效率低，并且增加了損耗的問題?，F(xiàn)提供具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路。

具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路，它包括原邊電源電路和副邊負載電路，

原邊電源電路包括直流電壓源uin、全橋逆變器、lc補償電路和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp，lc補償電路包括原邊補償電感l(wèi)1和原邊補償電容c1，

直流電壓源uin的正極連接全橋逆變器兩個上橋臂的共聯(lián)節(jié)點，直流電壓源uin的負極連接全橋逆變器兩個下橋臂的共聯(lián)節(jié)點，

原邊補償電感l(wèi)1的一端連接全橋逆變器的一個上、下橋臂的中點，原邊補償電容c1的一端同時連接全橋逆變器的另一個上、下橋臂的中點和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp的一端，原邊補償電感l(wèi)1的另一端同時連接原邊補償電容c1的另一端和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp的另一端，

副邊負載電路包括松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls、副邊補償電容c2、二極管全波整流橋、并聯(lián)電容濾波器cf和阻性負載rl，

松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls的一端連接副邊補償電容c2的一端，副邊補償電容c2的另一端連接二極管全波整流橋的一個上、下橋臂的中點，松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls的另一端連接二極管全波整流橋的另一個上、下橋臂的中點，并聯(lián)電容濾波器cf的一端連接二極管全波整流橋的兩個上橋臂的共聯(lián)節(jié)點，并聯(lián)電容濾波器cf的另一端連接二極管全波整流橋兩個下橋臂的共聯(lián)節(jié)點，阻性負載rl并聯(lián)在電容濾波器cf的兩端。

本發(fā)明的有益效果為：

本申請的具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路具有以下三個方面的有益效果：

(1)采用lc/s補償拓撲，系統(tǒng)最大輸出功率不受松耦合變壓器參數(shù)的限制，能夠在不更換松耦合變壓器的前提下改變系統(tǒng)最大輸出功率，從而達到節(jié)省時間和人力、降低成本、提高效率的目的。

(2)lc/s補償拓撲具有良好的恒流輸出特性，系統(tǒng)控制電路的設計大大簡化，間接提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。

(3)改變負載電路中的串聯(lián)補償電容，lc/s補償拓撲的輸入阻抗角即會改變，該補償拓撲易于實現(xiàn)zvs軟開關(guān)(零電壓開關(guān))，軟開關(guān)參數(shù)設計簡單，電路調(diào)試容易；系統(tǒng)損耗較低，效率較高。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲的電路圖；

圖2為lc/s補償拓撲分析電路圖；

圖3為具體實施方式二中的互感模型的電路圖；

圖4為zvs軟開關(guān)時全橋逆變器輸出的電壓和電流波形圖；

圖5為輸入零相角時全橋逆變器輸出的電壓和電流波形圖；

圖6為負載變化過程中負載電流波形圖；

圖7為輸出功率隨輸入電壓和補償參數(shù)變化的關(guān)系圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路，它包括原邊電源電路和副邊負載電路，

原邊電源電路包括直流電壓源uin、全橋逆變器、lc補償電路和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp，lc補償電路包括原邊補償電感l(wèi)1和原邊補償電容c1，

直流電壓源uin的正極連接全橋逆變器兩個上橋臂的共聯(lián)節(jié)點，直流電壓源uin的負極連接全橋逆變器兩個下橋臂的共聯(lián)節(jié)點，

原邊補償電感l(wèi)1的一端連接全橋逆變器的一個上、下橋臂的中點，原邊補償電容c1的一端同時連接全橋逆變器的另一個上、下橋臂的中點和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp的一端，原邊補償電感l(wèi)1的另一端同時連接原邊補償電容c1的另一端和松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp的另一端，

副邊負載電路包括松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls、副邊補償電容c2、二極管全波整流橋、并聯(lián)電容濾波器cf和阻性負載rl，

松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls的一端連接副邊補償電容c2的一端，副邊補償電容c2的另一端連接二極管全波整流橋的一個上、下橋臂的中點，松耦合變壓器的副邊耦合線圈ls的另一端連接二極管全波整流橋的另一個上、下橋臂的中點，并聯(lián)電容濾波器cf的一端連接二極管全波整流橋的兩個上橋臂的共聯(lián)節(jié)點，并聯(lián)電容濾波器cf的另一端連接二極管全波整流橋兩個下橋臂的共聯(lián)節(jié)點，阻性負載rl并聯(lián)在電容濾波器cf的兩端。

實施例：

系統(tǒng)已知參數(shù)如表1所示。

表1系統(tǒng)已知參數(shù)

系統(tǒng)工作頻率為85khz，系統(tǒng)工作角頻率為0.534×10⁵rad/s，由公式1至3分別求得系統(tǒng)等效交流電壓源基波有效值uab、系統(tǒng)等效電阻re、松耦合變壓器互感m，依次為90.03v、32.42ω和102.57μh。再根據(jù)式公式4和5求得原邊補償電感l(wèi)1、原邊補償電容c1分別為317.3μh和26.63nf。然后由公式7求出c1'，其值為11.05nf。最后根據(jù)公式6求出副邊補償電容c2為22.89nf。系統(tǒng)待定參數(shù)列于表2中。

表2系統(tǒng)待定參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)搭建樣機。圖4是zvs軟開關(guān)時全橋逆變器輸出電壓、電流波形，從圖4中可以看出電壓超前電流約30°。將副邊補償電容值由22.89nf增大為29.09nf(超前角為0°時根據(jù)公式6求得)，全橋逆變器輸出電壓、電流波形如圖5所示，超前角明顯減小，接近于0°，說明lc/s補償拓撲輸入阻抗角調(diào)節(jié)方便，zvs軟開關(guān)實現(xiàn)容易。圖6是負載變化過程中負載電流波形圖，起始時負載為40ω，此時輸出電流為1.04a，之后負載突降為24.4ω，負載電流突變?yōu)?.7a，之后逐漸下降，經(jīng)過約100ms后穩(wěn)定為1.04a，盡管負載減小了39％，負載電流卻沒有任何變化，說明了lc/s補償拓撲優(yōu)異的恒流輸出特性。圖7是系統(tǒng)輸出功率隨輸入電壓和補償參數(shù)變化關(guān)系，附圖標記1對應表2中的補償參數(shù)(l1、c1和c2)，附圖標記2對應的補償參數(shù)為l1＝201.3μh，c1＝33.35nf，c2＝22.89nf，這兩條曲線說明采用lc/s補償拓撲的無線電能傳輸系統(tǒng)，不更換松耦合變壓器，僅改變補償參數(shù)值，即可改變系統(tǒng)輸出功率。

具體實施方式二：參照圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路作進一步說明，本實施方式中，將直流電壓源uin和全橋逆變器等效為交流電壓源uab，將二極管全波整流橋、并聯(lián)電容濾波器cf和阻性負載rl用等效電阻re代替，松耦合變壓器用互感模型代替，將原邊補償電容c1分成電容c1'和電容c1”，電容c1'和電容c1”并聯(lián)連接，

根據(jù)公式：

獲得交流電壓源uab的電壓(有效值)，

其中，uin為直流輸入電壓，α為移相角；

根據(jù)公式：

獲得等效電阻re的阻值，

其中，rl為阻性負載；

根據(jù)公式：

獲得松耦合變壓器的互感m，

其中，k為松耦合變壓器原、副邊線圈耦合系數(shù)，lp為原邊耦合線圈自感，ls為副邊耦合線圈自感。

本實施方式中，lc/s補償拓撲分析電路如圖2所示。采用基波分析法分析lc/s補償拓撲功能，直流電壓源和全橋逆變器等效為交流電壓源uab，uab是有效值，可通過公式1求得，全波整流橋、并聯(lián)電容濾波器和阻性負載用等效電阻re代替，其值可通過公式2求得。松耦合變壓器(lp、ls、k)用其互感模型代替，圖2中，j是虛數(shù)單位，ω是全橋逆變器工作角頻率(以下稱為系統(tǒng)工作角頻率)，m是松耦合變壓器的互感，其值可通過公式3求得，ip和is分別是原、副邊耦合線圈電流(有效值)，電流方向如圖2所示。

原邊lc補償電路中，原邊補償電容c1的一部分c1'與原邊補償電感l(wèi)1在系統(tǒng)工作角頻率處諧振，實現(xiàn)恒流輸出特性；原邊補償電容c1的另一部分c1”與松耦合變壓器的原邊耦合線圈lp在系統(tǒng)工作角頻率處諧振，實現(xiàn)恒壓輸出特性；cl諧振腔的輸出電壓等于-jωmis，因此原邊恒壓輸出意味著副邊恒流輸出。

副邊串聯(lián)補償電容被稱為移相電容，其主要用途是調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入阻抗角，實現(xiàn)zvs軟開關(guān)(零電壓開關(guān))。

圖1中的已知參數(shù)包括：

1)直流輸入電壓：uin

2)負載電流：irl

3)負載阻值：rl

4)松耦合變壓器原、副邊自感及耦合系數(shù)：lp、ls、k

5)移相角：α

6)超前角(全橋逆變器輸出電壓基波超前電流基波的角度)：β

待定參數(shù)包括：

1)系統(tǒng)工作(角)頻率：f(ω)

2)原邊補償電感值：l1

3)原邊補償電容值：c1

4)副邊補償電容值：c2

5)濾波電容值：cf。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的具有恒流輸出特性的無線電能傳輸用lc/s補償拓撲電路作進一步說明，本實施方式中，原邊補償電感l(wèi)1的計算公式為：

式中，irl為負載電流，ω為系統(tǒng)工作角頻率，

原邊補償電容c1的計算公式為：

副邊補償電容c2的計算公式為：

式中，c1'是和原邊補償電感l(wèi)1諧振的電容，可由公式7求得，β為超前角，

本實施方式中，根據(jù)無線充電標準j2954^tm，選取系統(tǒng)工作頻率為85khz，對應的系統(tǒng)工作角頻率為0.534×10⁵rad/s。

cf主要取決于負載電壓紋波要求，根據(jù)負載電壓紋波適當增減濾波電容值，在系統(tǒng)功率小于1kw時，取值通常在220～1000μf之間。