基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构的制作方法

本实用新型涉及一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构。

背景技术：

随着电动汽车产业的快速发展，人们对充电系统的安全性、便捷性提出了更高的要求。因此，电动汽车的非接触式充电系统也得到了越来越广泛的应用。当传输距离增加，无线电能传输系统的传输效率迅速下降。为解决这一问题，在发射线圈与接收线圈中间插入中继线圈是增大无线能量传输距离的简单易行、经济实惠的有效途径。

中继线圈的引入给长距离的无线电能传输提供了可能性，但较传统的两线圈无线电能传输，不仅存在交叉耦合问题，还增加了中继线圈谐振环节，使得分析困难。目前，现有的补偿方式是控制各线圈自感与补偿电容的谐振频率一致，来提高系统的能量传输能力。但这样的补偿方式，并没有考虑多个线圈之间存在的交叉耦合问题，无法完全补偿系统的内电抗；其次，应用中含中继线圈的磁耦合系统存在三个谐振频率，相比于不含中继线圈的两线圈系统更容易出现补偿网络失谐问题；再者，在中继线圈上，线圈自感与补偿电容串联谐振，这使得中继线圈上的电流很大，为减少中继线圈对系统输出的影响，必须采用高q值的线圈电感，反之，如果中继线圈上的电阻比较大时，将会影响系统输出特性与输出效率。针对含中继线圈的无线电能传输系统存在的交叉耦合，失谐等问题，就系统输出特性展开研究。为此，本实用新型针对三线圈的无线电能传输系统，提出一种含中继线圈的三线圈磁耦合系统的补偿网络结构及参数确定方法，该方法将中继线圈内阻引入到模型中，加以分析，得到一种不受中继线圈上补偿电容及内阻影响的恒压输出补偿网络结构与参数的确定方法，同时也消除三线圈系统中的交叉耦合问题，使系统完全补偿，从而获得良好的输出特性，并且具有一定的抗失谐能力。

现有主要的补偿网络拓扑有如下：

1、发射、中继、接收线圈串联电容补偿

采用在各线圈串联电容补偿，将各线圈回路谐振角频率控制在相同角频率下，即补偿拓扑如下图所示。其中l1为发射线圈自感，lr为中继线圈自感，l2为接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，c1为发射线圈回路补偿电容，cr为中继线圈回路补偿电容，c2为接收线圈回路补偿电容，rr为中继线圈上内阻。

根据补偿拓扑，列出三个回路的kvl方程，如下式：

其输出特性为：

从其输出特性表达式中，不难发现负载的输出电压难以控制，还与耦合参数有关，交叉耦合影响并未消除。而在发射、中继、接收线圈串联电容谐振补偿的基础上，添加阻抗匹配网络或串联电抗补偿，如图2-5所示，都是为了消除交叉耦合的影响，减少无功功率。

综上可知，现有的补偿方式是控制各线圈自感与补偿电容的谐振频率一致，来提高系统的能量传输能力。但这样的补偿方式，并没有考虑多个线圈之间存在的交叉耦合问题，无法完全补偿系统的内电抗；其次，应用中含中继线圈的磁耦合系统存在三个谐振频率，相比于不含中继线圈的两线圈系统更容易出现补偿网络失谐问题；再者，较传统的两线圈无线电能传输，增加了中继线圈谐振环节，在中继线圈上，线圈自感与补偿电容串联谐振，这使得中继线圈上的电流很大，为减少中继线圈对系统输出的影响，必须采用高q值的线圈电感，反之，如果中继线圈上的电阻比较大时，将会影响系统输出特性与输出效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，在保持原有补偿网络结构的基础上取消中继线圈的补偿电容，只存在两个谐振环节，减少成本，使得系统获得良好输出特性并且具有一定的抗失谐能力。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括串联连接的接收线圈、接收线圈回路补偿电容、负载。

本实用新型还提供了一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路补偿电容、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路并联补偿电容、负载，所述接收线圈的一端与接收线圈回路并联补偿电容的一端、接收线圈回路串联补偿电容的一端连接，接收线圈回路串联补偿电容的另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与接收线圈回路并联补偿电容的另一端、负载的另一端连接。

本实用新型还提供了另一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈回路补偿电容、发射线圈，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路并联补偿电容、负载，所述接收线圈的一端与接收线圈回路并联补偿电容的一端、接收线圈回路串联补偿电容的一端连接，接收线圈回路串联补偿电容的另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与接收线圈回路并联补偿电容的另一端、负载的另一端连接。

本实用新型还提供了另一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括并联连接的电流源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括串联连接的接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、负载。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型在保持原有补偿网络结构的基础上取消中继线圈的补偿电容，只存在两个谐振环节，减少成本，使得系统获得良好输出特性并且具有一定的抗失谐能力。

附图说明

图1是各线圈串联电容谐振的补偿拓扑。

图2是添加串联电抗的补偿拓扑。

图3是添加型阻抗匹配网络的补偿拓扑。

图4是添加π型阻抗匹配网络的补偿拓扑。

图5是添加t型阻抗匹配网络的补偿拓扑。

图6是三线圈互感模型。

图7是变压器t模型。

图8是复数电感等效模型。

图9是互感模型等效为变压器t模型。

图10是戴维南等效图1。

图11是戴维南等效图2。

图12是戴维南等效图3。

图13是戴维南等效图4。

图14是现有sss型的补偿网络结构。

图15是本实用新型ss型补偿网络结构。

图16是本实用新型ssps型补偿网络结构。

图17是等效源变换。

图18是本实用新型sps型补偿网络结构。

图19是现有pss型的补偿网络结构。

图20是本实用新型ps型补偿网络结构。

图21是本实用新型实施例仿真结果一。

图22是本实用新型实施例仿真结果二。

图23是本实用新型实施例仿真结果三。

图24是本实用新型实施例仿真结果四。

图25是本实用新型实施例仿真结果五。

图26是本实用新型实施例仿真结果六。

图27是本实用新型实施例仿真结果七。

图28是本实用新型实施例仿真结果八。

图29是本实用新型实施例仿真结果九。

图30是本实用新型实施例仿真结果十。

图31是本实用新型实施例仿真结果十一。

图32是本实用新型实施例仿真结果十二。

图33是本实用新型实施例仿真结果十三。

图34是本实用新型实施例仿真结果十四。

图35是本实用新型实施例仿真结果十五。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

如图15所示，本实用新型提供了一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括串联连接的接收线圈、接收线圈回路补偿电容、负载。

如图16所示，本实用新型还提供了一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路补偿电容、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路并联补偿电容、负载，所述接收线圈的一端与接收线圈回路并联补偿电容的一端、接收线圈回路串联补偿电容的一端连接，接收线圈回路串联补偿电容的另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与接收线圈回路并联补偿电容的另一端、负载的另一端连接。

如图18所示，本实用新型还提供了另一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈回路补偿电容、发射线圈，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路并联补偿电容、负载，所述接收线圈的一端与接收线圈回路并联补偿电容的一端、接收线圈回路串联补偿电容的一端连接，接收线圈回路串联补偿电容的另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与接收线圈回路并联补偿电容的另一端、负载的另一端连接。

如图20所示，本实用新型还提供了另一种基于中继线圈的恒压输出无线电能传输补偿网络结构，包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括并联连接的电流源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路电阻，所述接收线圈回路包括串联连接的接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、负载。

以下为本实用新型具体实现过程。

在本实施例中，基于二端口特性，将原有三线圈多级、复杂的互感模型(如图6所示)等效为简单明了的变压器t模型，其等效电路模型如图7所示。等效后的变压器t模型，将作为中转站的中继线圈“消除”，并将各线圈的耦合关系和中继线圈上内阻融入到变压器t模型中的lpk，lsk，lm，n中。

根据kvl，列出各回路电压方程：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，cr为中继线圈回路补偿电容，rr为中继线圈上内阻，ω为系统工作角频率，不同于ω0。

同样得出矩阵表达式：

lpk与lsk分别为变压器t模型里原边和副边的等效漏感，n为变压器t模型的等效变比，该变比不同于变压器的匝比，理论上它可以是任意值(包括实数和复数)，lm为变压器t模型的等效激磁电感。

为保证二端口特性相同，可得出变压器t模型中各参数与互感模型中各参数的关系如下所示：

在等效过程中，发现求解的lm，lpk，lsk的表达式为一个复数，存在实部与虚部。定义实部部分乘以jw为电抗，而将虚部部分乘以jw为电阻，如图8所示：

不同的复数，呈现不同的形式，其中最特别的是呈现负电阻。

电抗部分：

电阻部分：

l1，l2，lr，m1r，mr2，m12，rr均可通过实际测量获得。从表达式可知，随着无线电能传输系统的磁耦合结构以及补偿电容cr值的固定，lm，lpk，lsk都可由不同的n来确定。将等效后的变压器t模型(如图9所示)置于无线电能传输系统中去。

从rpk，rsk的表达式发现，当一个为正数时，另一个必为负数。抓住模型中的负电阻，寻找到补偿电容cs1，消除电阻影响，使得等效的zeq只含有xeq，如图10所示：

再通过在接收线圈上串联补偿电容cs2，用于补偿剩余的xeq部分，实现恒压输出，如图11所示：

将输入电压源替换为输入电流源时，可寻找到补偿电容cp，消除电阻影响，使得等效的zeq只含有xeq，如图12所示：

再通过在接收线圈上串联补偿电容cs，用于补偿剩余的xeq部分，实现恒压输出，如图13所示：

从cs1,cs2与cp,cs的表达式中发现，其取值与变压器变比n，中继线圈环节的rr和选取的串联补偿电容cr值无关(cr可取任意值)，所以此种补偿参数确定方法，不仅消除了交叉耦合和rr的影响，实现电抗的完全补偿，还具有一定的抗中继线圈失谐能力。理论上，取消中继线圈上谐振电容，仍然能够实现系统恒压输出。

在本实施例中，如图14所示的基于原有三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤a1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤a2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，得到负载前的阻抗完全补偿，开路电压uoc直接加在负载两端，实现恒压输出，参数确定如下：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cs1，cs2分别为发射线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路串联补偿电容，为戴维南等效的开路电压，为电压源电压，为负载电压。

在本实施例中，如图15所示的基于原有三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤b1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤b2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，得到负载前的阻抗完全补偿，开路电压uoc直接加在负载两端，实现恒压输出，参数确定如下：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cs1，cs2分别为发射线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路串联补偿电容，为戴维南等效的开路电压，为电压源电压，为负载电压。

如图16所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤c1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤c2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，再根据等效源变换(如图17所示)，实现恒压输出，参数确定如下：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cs1，cs2分别为发射线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路串联补偿电容，cp为接收线圈回路并联补偿电容，为电压源电压，为负载电压；n为变压器t模型的等效变比，该变比不同于变压器的物理匝比，理论上可以是任意值，包括实数和复数；cr为中继线圈回路串联补偿电容，可为任意值。

如图18所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤d1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤d2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，再根据等效源变换(如图17所示)，实现恒压输出，参数确定如下：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cs1，cs2分别为发射线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路串联补偿电容，cp为接收线圈回路并联补偿电容，为电压源电压，为负载电压；n为变压器t模型的等效变比，该变比不同于变压器的物理匝比，理论上可以是任意值，包括实数和复数。

在本实施例中，如图19所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤e1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤e2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，得到负载前的阻抗完全补偿，开路电压uoc直接加在负载两端，实现恒压输出：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cp为发射线圈回路并联补偿电容，cs为接收线圈回路串联补偿电容，为戴维南等效的开路电压，为电压源电流，为负载电压。

在本实施例中，如图20所示的基于三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，其参数确定方法，包括以下步骤：

步骤f1：将三线圈互感模型等效为变压器t模型；

步骤f2：将等效后的变压器t模型进行戴维南等效，得到负载前的阻抗完全补偿，开路电压uoc直接加在负载两端，实现恒压输出：

其中l1，lr，l2分别为发射线圈自感、中继线圈自感与接收线圈自感，m1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，mr2为中继线圈与接收线圈之间的互感，m12为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统工作角频率，不同于ω0；cp为发射线圈回路并联补偿电容，cs为接收线圈回路串联补偿电容，为戴维南等效的开路电压，为电压源电流，为负载电压。

在本实施例中，若计算得到所需的电容值出现负值时，则用电感补偿，补偿电感值与负的补偿电容值的关系如下式所示：

本实用新型的具体实施：

例：对于工作在100khz频率下的三线圈无线电能传输系统，其磁耦合结构发射线圈自感为170uh，中继线圈自感为170uh，接收线圈自感为240uh，k1r＝0.1197，kr2＝0.4555，k12＝0.1369，中继线圈内阻rr＝1.1ω，中继线圈谐振电容cr选取发射线圈连接的逆变输入源幅值为100v。

采用步骤a1-a3的方法进行补偿如下：

利用公式，计算出cs1和cs2，此时cs1＝15.46nf，cs2＝22.03nf，此时输出侧即可达到恒压输出幅值452v的效果，并且不受中继线圈上内阻与补偿电容大小影响，仿真结果如图21-25所示。

采用步骤c1-c3的方法进行补偿如下：

当所需输出幅值为200v时，即变n＝2，利用公式，计算出cs1，cp和cs2，此时cs1＝15.46nf，cp＝-27.78nf，cs2＝49.81nf，cp为负值，应用公式，选用电感lp＝91.20uh代替cp此时输出侧即可达到恒压输出幅值200v的效果，仿真结果如图26-30所示；

当所需输出幅值为500v时，即变比n＝5，利用上述公式，计算出cs1，cp和cs2，此时cs1＝15.46nf，cp＝2.109nf，cs2＝19.92nf，此时输出侧即可达到恒压输出幅值500v的效果，仿真结果如图31-35所示。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。