一种新型恒压型LCC-C(CL)²拓扑的参数设计方法及系统

本发明涉及无线电能传输，更具体的，涉及一种新型恒压型lcc-c(cl)2拓扑的参数设计方法及系统。

背景技术：

1、近年来，各类电子电气设备得到了快速普及与发展，而用户对电能传输的安全性与可靠性提出了新的要求。传统插电式电能传输技术在充电时，存在火花及高压触电等安全隐患，使得系统安全性、可靠性以及使用寿命降低，并尚且难以达到一些特殊工业场合的安全要求。与传统金属导线直接接触的电能传输方式不同，无线电传输技术是利用磁场、激光或微波等作为能量的传输媒介，使电网与用电设备之间无需电气直接接触，有效克服了传统金属导线直接接触供电所存在的固有缺陷与问题，极大地降低了用电设备对电线与接线端口的使用率。无线电能传输系统因其具有安全性、电气隔离、低维护和便捷性以及具备在特殊环境与天气下工作的能力等诸多优势，而被众多学者探讨与研究。无线电能传输系统的发射、接收线圈需要处于同频共振的状态，为了达到传输功率的要求，谐振频率往往要达到兆赫兹(mhz)级别。无线电能传输系统利用松耦合变压器的空气气隙实现电能从发射线圈到接收线圈的传递。实际中较大的空气气隙导致耦合系数较小，同时励磁电感较小，漏感较大，使得输出电流较小，输出功率低，系统无功增加，功率因数和传输效率低下。

2、为了改善系统的传输特性，增强系统传输能力，提高效率，通常在无线电能传输系统的原、副边增加电容元件，与发射、接收线圈构建四种基本单谐振补偿网络(ss、sp、ps和pp)，通过补偿电路抵消松耦合变压器漏感的影响，但单谐振补偿电路特性普遍受负载或互感影响，且难以实现软开关，这会产生巨大的无功功率。后又在单谐振补偿拓扑基础上加入电感元件，组成高阶补偿拓扑lcc-s及lcc-lcc，虽然弥补了单谐振拓扑难以软开关的缺点，但依然存在抗偏移能力弱、变负载工况下效率迅速降低的问题。最新提出的lcc-c(cl)2拓扑，在一定程度上提高了抗偏移能力以及变负载工况下的效率，但目前甚少有对其的研究与应用，元件参数对整体电路特性也不得而知。

3、现有技术有一种基于lcc-s拓扑的无线电能传输系统参数设计方法，在无需引入附加补偿电路的情况下，在参数设计中利用线圈本身特性实现互感值m的抗偏移能力；通过优化原边输入电感l1和直流母线电压值vdc实现了扰动观察法在恒流、恒压阶段的效率最大化并同时考虑谐振电感电容的电压电流应力约束，对耦合网络参数有较高的利用率。

4、然而现有技术仍然存在不适用于lcc-c(cl)2的问题，如何发明一种适用于lcc-c(cl)2的参数设计方法，是本技术领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术不适用于lcc-c(cl)2的问题，提供了一种基于新型恒压型lcc-c(cl)2拓扑的参数设计方法及系统，其具有抗偏移能力强、变负载工况下能够保持效率的特点。

2、为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

3、一种基于新型恒压型lcc-c(cl)2拓扑的参数设计方法，包括以下具体步骤：

4、s1：构建恒压型lcc-c(cl)2的拓扑等效电路；

5、s2：引入代表电感与电容的比值的参数；根据拓扑等效电路及参数，构建lcc-c(cl)2的效率公式及lcc-s拓扑的效率公式的效率交点表达式；

6、s3：根据效率交点表达式，得到最优的参数。

7、优选的，恒压型lcc-c(cl)2的拓扑等效电路包括电源uin、电感lp、电容cp、电感lt、电容ct、电阻r2、电感lr、电容cr、电阻r3、第1等效电压irzm、第2等效电压itzm、第1副边电路、第2副边电路；拓扑等效电路中，uin的一端与lp的一端连接，lp的另一端分别与cp、ct的一端连接；ct的另一端与lt的一端电性连接；lt的另一端与irzm的一端连接；irzm的另一端与r2的一端连接；r2的另一端分别与cp和uin的另一端连接；itzm的一端与lr的一端连接，lr的另一端与cr的一端连接，cr的另一端与第1副边电路连接，第1副边电路与第2副边电路连接，r3的一端与第1副边电路连接，r3的另一端与itzm连接。

8、进一步的，第1副边电路包括第1副边电路等效电感lc1、电容c1；第2副边电路包括第2副边电路等效电感lc2、电容c2、电感内阻rl；lc1的一端分别与cr的另一端和c1连接；lc2的一端分别与c2的一端和rl的一端连接；c1的另一端分别与c2的另一端和rl另一端连接。

9、更进一步的，lcc-c(cl)2的拓扑等效电路的副边电路的等效负载r为：

10、

11、更进一步的，引入代表电感与电容的比值的参数λ后，c2＝λc1，r＝λ2rl。

12、更进一步的，所述的步骤s2中，根据拓扑等效电路及参数λ，构建lcc-c(cl)2拓扑等效电路的效率公式及lcc-s拓扑的效率公式的效率交点表达式；具体为：

13、s201：考虑r2和r3以及等效负载r，得到lcc-c(cl)2拓扑的效率公式η1：

14、

15、其中，m为互感值，ω为频率；

16、s202：得到lcc-s拓扑的效率公式η2：

17、

18、s203:使lcc-c(cl)2拓扑的效率公式等于lcc-s拓扑的效率公式，得到2种拓扑的效率交点表达式：

19、

20、更进一步的，所述的步骤s2中，还根据效率交点表达式，对rl求导，得到最优负载值表达式：

21、

22、由最优负载值表达式可知:

23、0<λ<1，负载上升，效率上升到最大值的速度减慢，对应的阻抗增加；负载在区间，λ＝1的效率高于0<λ<1；负载在区间，0<λ<1的效率高于λ＝1；

24、λ>1，负载上升，效率上升到最大值的速度加快，对应的阻抗减小；负载在区间，λ>1的效率高于λ＝1；负载在区间，λ＝1的效率高于λ>1；

25、更进一步的，所述的步骤s3中，根据最优负载值的表达式，得到最优的参数，具体步骤为：

26、s301：确认恒压型lcc-c(cl)2的工况；若工况为强耦合环境，执行步骤s302；若工况的负载范围为弱耦合环境，执行步骤s303；

27、s302：设λ>1，将负载范围的最大值、ω、m代入效率交点表达式，得到最优的参数λ；

28、s303：设0<λ<1，将负载范围的最小值、ω、m代入效率交点表达式，得到最优的参数λ。

29、更进一步的，所述的步骤s3中，得到最优的参数λ后，还根据最优的参数λ，计算了使副边电路完全谐振的最优的lc1、c1、lc2、c2。

30、一种基于新型恒压型lcc-c(cl)2拓扑的参数设计系统，包括等效电路模块、效率焦点表达模块、最优参数模块；

31、等效电路模块用于构建恒压型lcc-c(cl)2的拓扑等效电路；

32、效率焦点表达模块用于引入代表电感与电容的比值的参数；根据拓扑等效电路及参数，构建lcc-c(cl)2的效率公式及lcc-s拓扑的效率公式的效率交点表达式；

33、最优参数模块用于根据效率交点表达式，得到最优的参数。

34、本发明的有益效果如下：

35、本发明公开了一种基于新型恒压型lcc-c(cl)2拓扑的参数设计方法，通过构建恒压型lcc-c(cl)2的拓扑等效电路，引入代表电感与电容的比值的参数，构建lcc-c(cl)2的效率公式及lcc-s拓扑的效率公式的效率交点表达式，得到最优的参数。本发明所提出的方法能解决现有技术不适用于lcc-c(cl)2的问题，具有抗偏移能力强、变负载工况下能够保持效率的特点。