一种功率扩容装置、补偿网络参数配置方法及系统与流程

1.本发明涉及网络参数配置技术领域，特别是涉及一种功率扩容装置、补偿网络参数配置方法及系统。


背景技术：

2.无线充电技术实现了供电电源与用电设备之间的电气隔离，并解决了传统接触式供电存在的接触式火花等问题。目前该技术在电动汽车无线充电、植入式医疗、轨道交通等领域得到广泛的研究。
3.为充分利用现有的单台无线充电系统实现模块化的大功率输出，需要采用多台无线充电系统的并联操作以实现功率扩容。文献“hang liu,qianhong chen,guangjie ke,et al.research of the input-parallel output-series inductive power transfer system[c].2015ieee pels workshop on emerging technologies:wireless power(2015wow),daejeon,korea(south),2015,pp.1-7.”通过采用无线充电系统的整体输入并联、输出串联的方式实现了输出功率的加倍，但此时由于两台松耦合变压器之间存在着相互耦合的关系而会对系统的性能产生影响，而该文献通过改进线圈的放置方式减小了同侧耦合互感的影响，但该方法对线圈的位置有要求，且未分析交叉耦合互感对系统性能的影响。进一步的，文献“李勇.基于组合式逆变器的无线电能传输系统功率提升技术研究[d].西南交通大学,2017.”采用无线充电系统整体并联的方式实现了大功率的能量传输，在理论分析中还考虑了同侧耦合互感和交叉耦合互感对效率的影响，并采用解耦变压器消除了同侧耦合互感对系统带来的不利影响，对工程应用具有积极意义，但是解耦变压器及附加补偿电容引入了新的损耗因素且增加了无线充电系统的体积。
[0004]
为充分利用现有的单台无线充电系统实现模块化的大功率输出和可靠运行需求，亟需建立一种基于无线充电系统整体并联的偿网络参数配置方法、系统或功率扩容装置，以能够通过补偿电容的设置消除次耦合互感对无线充电系统整体并联带来的不利影响，进而能够在满足大功率设备模块化供电可靠运行需求的同时，为无线充电系统模块化供电的工程应用提供参考。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种功率扩容装置、补偿网络参数配置方法及系统，以能够通过补偿电容的设置消除次耦合互感对无线充电系统整体并联带来的不利影响，进而能够在满足大功率设备模块化供电可靠运行需求的同时，为无线充电系统模块化供电的工程应用提供参考。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007]
一种功率扩容装置，包括：直流电源和多个并联的无线供电系统；
[0008]
多个所述无线供电系统均与所述直流电源连接；每一所述无线供电系统中均包括松耦合变压器；两个所述无线供电系统中包括的松耦合变压器之间形成耦合互感。
[0009]
优选地，所述无线供电系统包括：逆变器、地面补偿网络、车载补偿网络、整流器和负载；
[0010]
所述逆变器的输入端与所述直流电源的输出端连接；所述逆变器的输出端于所述地面补偿网络的输入端连接；所述地面补偿网络的输出端与所述松耦合变压器的输入端连接；所述松耦合变压器的输出端与所述车载补偿网络的输入端连接；所述车载补偿网络的输出端与所述整流器的输入端连接；所述整流器的输出端与所述负载连接。
[0011]
优选地，所述耦合互感包括主耦合互感和次耦合互感；所述次耦合互感包括：同侧耦合互感和交叉耦合互感。
[0012]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0013]
本发明提供的功率扩容装置，通过将多个包括有松耦合变压器的无线供电系统进行并联设置，能够通过补偿电容的设置消除次耦合互感对无线充电系统整体并联带来的不利影响。
[0014]
本发明还提供了一种补偿网络参数配置方法，该方法包括：
[0015]
根据基尔霍夫电压定律基于上述提供的功率扩容装置构建矩阵方程；
[0016]
基于所述矩阵方程构建补偿网络参数配置公式；
[0017]
基于所述补偿网络参数配置公式完成网络参数的补偿。
[0018]
优选地，当所述功率扩容装置中无线供电系统个数为两个时，所述矩阵方程为：
[0019][0020]
其中，u
i1
为第一个无线供电系统中逆变器的输出电压值，u
i2
为第二个无线供电系统中逆变器的输出电压值，i
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的电流值，i
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的电流值，i
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的电流值，i
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的电流值，z
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的回路阻抗，z
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的回路阻抗，z
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的回路阻抗，z
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的回路阻抗，m
p1s1
为线圈l
p1
和线圈l
s1
的互感，m
p2s2
为线圈l
p2
和线圈l
s2
的互感，m
p1p2
为线圈l
p1
和线圈l
p2
的互感，m
s1s2
为线圈l
s1
和线圈l
s2
的互感，m
p1s2
为线圈l
p1
和线圈l
s2
的互感，m
p2s1
为线圈l
p2
和线圈l
s1
的互感，线圈l
p1
和线圈l
s1
为第一个无线供电系统中松耦合变压器的线圈，线圈l
p2
和线圈l
s2
为第二个无线供电系统中松耦合变压器的线圈，j为虚数单位，ω为角频率。
[0021]
优选地，所述补偿网络参数配置公式为：
[0022][0023]
其中，imag()为取变量的虚部分量，c
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的补偿电容，c
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的补偿电容，c
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的补偿电容，c
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的补偿电容。
[0024]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0025]
本发明提供的补偿网络参数配置方法，基于构建得到的功率扩容装置构建矩阵方程后，以该矩阵方程为基础构建得到补偿网络参数配置公式，然后依据这一补偿网络参数配置公式完成网络参数的配置，进而能够在满足大功率设备模块化供电可靠运行需求的同时，为无线充电系统模块化供电的工程应用提供参考。
[0026]
对应于上述提供的补偿网络参数配置方法，本发明还提供了一种补偿网络参数配置系统，该系统包括：
[0027]
矩阵方程构建模块，用于根据基尔霍夫电压定律基于如权利要求1-3任意一项所述的功率扩容装置构建矩阵方程；
[0028]
参数配置公式构建模块，用于基于所述矩阵方程构建补偿网络参数配置公式；
[0029]
参数补偿模块，用于基于所述补偿网络参数配置公式完成网络参数的补偿。
[0030]
对应于上述提供的补偿网络参数配置方法，本发明还提供了另一种补偿网络参数配置系统，该种系统包括处理器和存储器；所述存储器中存储有如计算机执行程序；所述计算机执行程序用于执行上述提供的补偿网络参数配置方法；所述处理器用于调取和运行所述存储器中存储的计算机执行程序。
[0031]
因本发明提供的补偿网络参数配置系统实现的技术效果与上述提供的补偿网络参数配置系统实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明提供的包含两台无线供电系统的功率扩容装置的结构示意图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的两台无线供电系统中松耦合变压器间的耦合互感示意图；
[0035]
图3为本发明提供的补偿网络参数配置方法的流程图；
[0036]
图4为本发明提供的其中一种补偿网络参数配置系统的结构示意图。
具体实施方式
[0037]
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做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。
[0038]
本发明的目的是提供一种功率扩容装置、补偿网络参数配置方法及系统，以能够通过补偿电容的设置消除次耦合互感对无线充电系统整体并联带来的不利影响，进而能够在满足大功率设备模块化供电可靠运行需求的同时，为无线充电系统模块化供电的工程应用提供参考。
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
本发明提供的一种功率扩容装置，包括：直流电源和多个并联的无线供电系统。其中如图1所示，为两个并联的无线供电系统的拓扑结构。
[0041]
多个无线供电系统均与直流电源连接。每一无线供电系统中均包括松耦合变压器。两个无线供电系统中包括的松耦合变压器之间形成耦合互感。耦合互感包括主耦合互感和次耦合互感。次耦合互感包括：同侧耦合互感和交叉耦合互感。当有两个无线供电系统时，松耦合变压器之间形成耦合互感如图2所示。
[0042]
其中，每一个无线供电系统都包括：逆变器、地面补偿网络、车载补偿网络、整流器和负载。
[0043]
逆变器的输入端与直流电源的输出端连接。逆变器的输出端于地面补偿网络的输入端连接。地面补偿网络的输出端与松耦合变压器的输入端连接。松耦合变压器的输出端与车载补偿网络的输入端连接。车载补偿网络的输出端与整流器的输入端连接。整流器的输出端与负载连接。
[0044]
基于上述构建的功率扩容装置，本发明对应提供了一种补偿网络参数配置方法，如图3所示，该方法包括：
[0045]
步骤300：根据基尔霍夫电压定律基于上述提供的功率扩容装置构建矩阵方程。当功率扩容装置中无线供电系统个数为两个时，矩阵方程为：
[0046][0047]
其中，u
i1
为第一个无线供电系统中逆变器的输出电压值，u
i2
为第二个无线供电系统中逆变器的输出电压值，i
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的电流值，i
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的电流值，i
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的电流值，i
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的电流值，z
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的回路阻抗，z
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的回路阻抗，z
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的回路阻抗，z
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的回路阻抗，m
p1s1
为线圈l
p1
和线圈l
s1
的互感，m
p2s2
为线圈l
p2
和线圈l
s2
的互感，m
p1p2
为线圈l
p1
和线圈l
p2
的互感，m
s1s2
为线圈l
s1
和线圈l
s2
的互感，m
p1s2
为线圈l
p1
和线圈l
s2
的互感，m
p2s1
为线圈l
p2
和线圈l
s1
的互感，线圈l
p1
和线圈l
s1
为第一个无线供电系统中松耦合变压器的线圈，线圈l
p2
和线圈l
s2
为第二个无线供电系统中松耦合变压器的线圈，j为虚数单位，ω为角频率。
[0048]
步骤301：基于矩阵方程构建补偿网络参数配置公式。当功率扩容装置中无线供电系统个数为两个时，补偿网络参数配置公式为：
[0049][0050]
其中，imag()为取变量的虚部分量，c
p1
为第一个无线供电系统中地面补偿网络的补偿电容，c
p2
为第二个无线供电系统中地面补偿网络的补偿电容，c
s1
为第一个无线供电系统中车载补偿网络的补偿电容，c
s2
为第二个无线供电系统中车载补偿网络的补偿电容。
[0051]
步骤302：基于补偿网络参数配置公式完成网络参数的补偿。
[0052]
下面以#1和#2两台无线供电系统整体并联为例对本发明上述提供的技术方案的整体实施流程进行说明，#1和#2两台无线供电系统整体并联的拓扑结构如图1所示，#1松耦合变压器和#2松耦合变压器之间的耦合互感示意图如图2所示。
[0053]
形成的功率扩容装置包括：直流电源101、#1逆变器102、#1地面补偿网络103、#1松耦合变压器104、#1车载补偿网络105、#1整流器106、#2逆变器107、#2地面补偿网络108、#2松耦合变压器109、#2车载补偿网络110、#2整流器111和负载112。直流电源101的输出端与#1逆变器102的输入端相连接，#1逆变器102的输出端与#1地面补偿网络103的输入端相连接，#1地面补偿网络103的输出端与#1松耦合变压器104的输入端相连接，#1松耦合变压器104的输出端与#1车载补偿网络105的输入端相连接，#1车载补偿网络105的输出端与#1整流器106的输入端相连接，#1整流器106的输出端与负载(112)相连接。与此相同，直流电源101的输出端与#2逆变器107的输入端相连接，#2逆变器107的输出端与#2地面补偿网络108的输入端相连接，#2地面补偿网络108的输出端与#2松耦合变压器109的输入端相连接，#2松耦合变压器109的输出端与#2车载补偿网络110的输入端相连接，#2车载补偿网络110的输出端与#2整流器111的输入端相连接，#2整流器111的输出端与负载(112)相连接。
[0054]
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
[0055]
本实施例中，首先，#1逆变器102的输入端与#2逆变器107的输入端是并联关系，#1整流器106的输出端与#1整流器111的输出端也是并联关系，#1和#2无线充电系统是整体并联的。
[0056]
然后，无线充电系统整体并联的松耦合变压器之间存在相互耦合的关系，以#1松耦合变压器201和#2松耦合变压器202的相互耦合为例进行分析，则此时的耦合互感可以分为两种：主耦合互感(即线圈l
p1
和线圈l
s1
的互感m
p1s1
，线圈l
p2
和线圈l
s2
的互感m
p2s2
)和次耦合互感(即线圈l
p1
和线圈l
p2
的互感m
p1p2
，线圈l
s1
和线圈l
s2
的互感m
s1s2
，线圈l
p1
和线圈l
s2
的互感m
p1s2
，线圈l
p2
和线圈l
s1
的互感m
p2s1
)，而次耦合互感又可分为同侧耦合互感(m
p1p2
和ms1s2
)和交叉耦合互感(m
p1s2
和m
p2s1
)。
[0057]
最后，为了消除次耦合互感对无线充电系统的影响，可以在建立计及次耦合互感的数学模型的基础上，通过补偿电容的配置来消除次耦合互感对系统的影响，具体的补偿电容的配置方法如下：
[0058]
根据基尔霍夫电压定律可得以下的矩阵方程式(1)：
[0059][0060]
式(1)中，u
i1
和u
i2
为#1和#2逆变器的输出电压值，i
p1
，i
p2
，i
s1
和i
s2
分别为#1和#2地面端和车载端线圈的电流值。z
p1
，z
p2
，z
s1
，z
s2
为回路阻抗，其表达式为式(2)：
[0061][0062]
式(2)中，l
p1
，l
p2
，l
s1
和l
s2
分别为#1和#2地面端和车载端的线圈。c
p1
，c
p2
，c
s1
和c
s2
分别为#1和#2地面端和车载端线圈的补偿电容。r
l1
和r
l2
分别为#1和#2整流器的等效输入电阻。ω为角频率。
[0063]
为了消除次耦合互感的影响，则要使无线充电系统工作在谐振状态，那么必须使得补偿电容c
p1
，c
p2
，c
s1
和c
s2
补偿同侧耦合互感(m
p1p2
和m
s1s2
)和交叉耦合互感(m
p1s2
和m
p2s1
)，则令#1和#2逆变器输出阻抗的虚部为零，则可得式(3)：
[0064][0065]
式(3)中，imag()表示取某变量的虚部分量。
[0066]
由式(3)可得补偿电容c
p1
，c
p2
，c
s1
和c
s2
的取值为式(4)，
[0067][0068]
式(4)即为基于无线充电系统整体并联的补偿电容参数配置公式。
[0069]
此外，对应于上述提供的补偿网络参数配置方法，本发明还提供了两种补偿网络参数配置系统，如图4所示，其中一种补偿网络参数配置系统包括：
[0070]
矩阵方程构建模块400，用于根据基尔霍夫电压定律基于如权利要求1-3任意一项
的功率扩容装置构建矩阵方程。
[0071]
参数配置公式构建模块401，用于基于矩阵方程构建补偿网络参数配置公式。
[0072]
参数补偿模块402，用于基于补偿网络参数配置公式完成网络参数的补偿。
[0073]
另一种补偿网络参数配置系统包括处理器和存储器。存储器中存储有如计算机执行程序。计算机执行程序用于执行上述提供的补偿网络参数配置方法。处理器用于调取和运行存储器中存储的计算机执行程序。
[0074]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0075]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。