一种基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统设计方法

1.本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统设计方法。


背景技术：

2.无线电能传输作为一种新型的供电方式，摆脱了传统靠传输线插拔式供电的很多弊端，如电火花、线路凌乱、线路老化等。无线电能传输技术具有安全、高效、方便等特点，自上世纪60年代特斯拉首次实现电力的无线传输后，获得了广泛的关注和研究，并且在许多领域都有应用，如电子产品充电、生物体内植入、水下供电、电动汽车等。
3.目前的无线电能传输技术主要分为电场耦合方式与磁场耦合方式，电场耦合方式是通过两极板间产生交变电场并产生位移电流，从而实现电能的传输，电能通过电容传递；磁场耦合方式是通过在发射线圈冲通入交变电流进而在附近产生交变磁场，在磁场中的接收线圈上会产生同频率的磁耦合电动势，从而实现电能的传输，电能通过电感传递。相比于电场耦合方式，磁场耦合方式无线电能传输具有距离远、效率高等优点，是如今学者们主要的研究方向。
4.在全世界范围内发展新能源汽车的背景下，锂电池作为新型的储能物体，相对于普通电池有着体积小、效率高、寿命长等特点，将无线电能传输技术运用到锂电池充电领域尤为重要。锂电池作为特殊的负载，在充电过程中等效电阻会持续升高，为了延长锂电池的使用寿命，通常的充电方式为先恒流后恒压的模式。充电初期采用恒流的方式，当电压升高到预设值时切换为恒压充电，之后电流减小到一定值时充电完成。
5.目前针对锂电池的恒流恒压充电方案主要有三种，第一种是通过复杂的控制技术来切换工作状态，这种方法增加了控制的复杂性，且复杂的控制元件占用了大量空间，不仅增加成本，庞大的空间占用也不符合电动汽车充电的要求；第二种是通过两种不同的拓扑结构，也就是进行恒流恒压的切换，即利用开关元件进行切换，一定程度上增加了应用成本，在实际应用中也十分不方便；第三种为频率切换两种工作模式，通过将恒流恒压两种模式设置在两个不同频率点工作，这样无需增加额外的无功元件，但恒压输出时的电压增益仅与线圈互感有关，在线圈尺寸与位置不改变的前提下，电压增益单一，不能适用于多个电池。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是提供了一种基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统设计方法，在频率切换恒流恒压模式的基础上，电压增益与电流增益可以根据要求进行改变，当需要不同的电压增益或电流增益时，只需要改变调谐电容就能实现，并且所有工作状态都满足零相角条件。此外，两个中继线圈设立在发射端同轴同平面，不增加接收端的额外复杂程度。该设计方法不需要额外的控制技术以及无功元件，结构简单，操作方便。
7.本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：一种基于四线圈恒流恒压可变输
出的无线供电系统设计方法，其特征在于：所述无线供电系统包含直流电源、高频逆变器、发射线圈、中继线圈一、中继线圈二、接收线圈、整流电路和负载，其中发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈分别对应串联谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，中继线圈一、中继线圈二及发射线圈同轴同平面设置，用于增加接收端的空间自由度；
8.所述无线供电系统的具体设计步骤如下：
9.步骤s1：针对提出的系统列出对应的kvl方程并求解
10.系统kvl方程为：
[0011][0012]
其中
[0013][0014]
式中，u1为高频逆变器的输出电压，i1,i4分别为流过发射线圈的电流与流过接收线圈的电流，i2,i3分别为流过中继线圈一的电流与流过中继线圈二的电流，xi为第i个线圈的阻抗，其中i＝1,2,3,4且分别对应发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈，以下同上，忽略线圈自身内阻，x
pq
为第p个线圈与第q个线圈之间的互阻抗，p,q＝1,2,3,4，li为第i个线圈的自感，i＝1,2,3,4，ci为第i个线圈对应的补偿电容的容值，i＝1,2,3,4，m
pq
为第p个线圈与第q个线圈之间的互感，r为负载，ω为系统的工作角频率；
[0015]
对式(1)求解得出i1与i4[0016][0017][0018]
其中
[0019][0020]
式中，a与b分别为中间变量一与中间变量二；
[0021]
步骤s2：恒压条件分析
[0022]
令
[0023]
此时系统电压增益ev表示为
[0024][0025]
系统输入阻抗表示为
[0026][0027]
由式(2)、(7)看出系统此时的电压增益与负载r
l
无关，与电容c1、c2、c3有关，由式(2)、(5)、(8)看出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0028]
步骤s3：令发射线圈谐振，即x1＝0，与式(6)、式(7)联立得到方程
[0029][0030]
对式(9)求解得出
[0031][0032]
联立式(2)与式(10)得出
[0033][0034]
步骤s4：恒流条件分析
[0035]
令
[0036]
此时系统电流增益gi表示为
[0037][0038]
系统输入阻抗表示为
[0039][0040]
由式(2)、(5)、(13)可以看出系统此时的电流增益与负载r无关，且与电容c1、c3、c4有关，由式(2)、(5)、(14)可以看出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0041]
步骤s5：令x2＝-1.5*x
14
，与式(12)、式(13)联立得到方程
[0042][0043]
对式(15)求解得出
[0044][0045]
联立式(2)与式(16)得出
[0046][0047]
其中
[0048][0049]
式中，h1，h2，h3分别为中间变量三，中间变量四，中间变量五；
[0050]
步骤s6：计算系统同时满足恒压输出与恒流输出的条件
[0051]
令ωv＝ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0052]
式中，ωv为系统恒压工作时的角频率，下标v表示恒压模式参数，将式(19)代入式(11)得出
[0053]
[0054]
令ωc＝ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0055]
式中，ωc为系统恒流工作时的角频率，下标c表示恒流模式参数，将式(21)代入式(17)得出
[0056][0057]
其中
[0058][0059]
式中，h
1c
,h
2c
,h
3c
为中间变量六，中间变量七，中间变量八；
[0060]
将式(20)与式(22)联立得到方程
[0061][0062]
对式(24)求解得出
[0063][0064]
基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统中，四个线圈的自感由式(25)确定，当ω＝ωv时，对应的谐振电容由式(20)确定，由式(5)、式(7)、式(8)得出，无线供电系统能够实现零相角条件的恒压输出，当ω＝ωc时，对应的谐振电容由式(22)确定，由式(5)、式(13)、式(14)得出，无线供电系统能够实现零相角条件的恒流输出；
[0065]
由式(22)、式(23)得出，当需要改变电流增益gi时，只需要改变对应的c1,c3,c4即可，由式(20)得出，当需要改变电压增益ev时，只需要改变对应的c2,c3,c4即可。
[0066]
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明设计的无线供电系统可以在fv频率下实现恒压充电，在fc频率下实现恒流充电，在切换工作状态时只需要改变系统的工作频率，无需改变系统的硬件结构与参数。由于两个中继线圈与发射线圈放置在同轴同平面，增加了接收端的空间自由度，符合电动汽车充电的标准，在充电时无需增加额外的无功元件与复杂的控制策略，具有结构简单，操作方便，成本低廉等优点。
附图说明
[0067]
图1为本发明实现可变输出的恒流恒压四线圈系统电路图；
[0068]
图2为四线圈系统电路图的简化等效电路；
[0069]
图3为该系统的仿真结果，图3中(a)为逆变器输出相角，图3中(b)为输出电流，图3中(c)为输出电压，输入电压u1为60v，在78.7khz实现零相角恒流，电流增益为0.1，89khz实现零相角恒压，电压增益为1；
具体实施方式
[0070]
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
[0071]
本发明所提出的无线供电系统的电路图如图1所示；无线供电系统简化后的等效电路如图2所示。
[0072]
本发明所述的一种基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统设计方法，无线供电系统包含直流电源、高频逆变器、发射线圈、中继线圈一、中继线圈二、接收线圈、整流电路和负载，其中发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈分别对应串联谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，中继线圈一、中继线圈二及发射线圈同轴同平面设置，用于增加接收端的空间自由度；
[0073]
无线供电系统的具体设计步骤如下：
[0074]
步骤s1：针对提出的系统列出对应的kvl方程并求解
[0075]
系统kvl方程为：
[0076][0077]
其中
[0078][0079]
式中，u1为高频逆变器的输出电压，i1,i4分别为流过发射线圈的电流与流过接收线圈的电流，i2,i3分别为流过中继线圈一的电流与流过中继线圈二的电流，xi为第i个线圈的阻抗，其中i＝1,2,3,4且分别对应发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈，以下同上，忽略线圈自身内阻，x
pq
为第p个线圈与第q个线圈之间的互阻抗，p,q＝1,2,3,4，li为第i个线圈的自感，i＝1,2,3,4，ci为第i个线圈对应的补偿电容的容值，i＝1,2,3,4，m
pq
为第p个线圈与第q个线圈之间的互感，r为负载，ω为系统的工作角频率；
[0080]
对式(1)求解得出i1与i4[0081][0082][0083]
其中
[0084][0085]
式中，a与b分别为中间变量一与中间变量二；
[0086]
步骤s2：恒压条件分析
[0087]
令
[0088]
此时系统电压增益ev表示为
[0089][0090]
系统输入阻抗表示为
[0091][0092]
由式(2)、(7)看出系统此时的电压增益与负载r
l
无关，与电容c1、c2、c3有关，由式(2)、(5)、(8)看出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0093]
步骤s3：令发射线圈谐振，即x1＝0，与式(6)、式(7)联立得到方程
[0094][0095]
对式(9)求解得出
[0096][0097]
联立式(2)与式(10)得出
[0098][0099]
步骤s4：恒流条件分析
[0100]
令
[0101]
此时系统电流增益gi表示为
[0102][0103]
系统输入阻抗表示为
[0104][0105]
由式(2)、(5)、(13)可以看出系统此时的电流增益与负载r无关，且与电容c1、c3、c4有关，由式(2)、(5)、(14)可以看出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0106]
步骤s5：令x2＝-1.5*x
14
，与式(12)、式(13)联立得到方程
[0107][0108]
对式(15)求解得出
[0109][0110]
联立式(2)与式(16)得出
[0111][0112]
其中
[0113][0114]
式中，h1，h2，h3分别为中间变量三，中间变量四，中间变量五；
[0115]
步骤s6：计算系统同时满足恒压输出与恒流输出的条件
[0116]
令ωv＝ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0117]
式中，ωv为系统恒压工作时的角频率，下标v表示恒压模式参数，将式(19)代入式(11)得出
[0118][0119]
令ωc＝ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0120]
式中，ωc为系统恒流工作时的角频率，下标c表示恒流模式参数，将式(21)代入式(17)得出
[0121][0122]
其中
[0123][0124]
式中，h
1c
,h
2c
,h
3c
为中间变量六，中间变量七，中间变量八；
[0125]
将式(20)与式(22)联立得到方程
[0126]
[0127]
对式(24)求解得出
[0128][0129]
基于四线圈恒流恒压可变输出的无线供电系统中，四个线圈的自感由式(25)确定，当ω＝ωv时，对应的谐振电容由式(20)确定，由式(5)、式(7)、式(8)得出，无线供电系统能够实现零相角条件的恒压输出，当ω＝ωc时，对应的谐振电容由式(22)确定，由式(5)、式(13)、式(14)得出，无线供电系统能够实现零相角条件的恒流输出；
[0130]
由式(22)、式(23)得出，当需要改变电流增益gi时，只需要改变对应的c1,c3,c4即可，由式(20)得出，当需要改变电压增益ev时，只需要改变对应的c2,c3,c4即可。
[0131]
根据上述计算，由matlab软件分析得出系统的输出特性如图3所示。图3中(a)为逆变器输出相角，图3中(b)为输出电流，图3中(c)为输出电压，输入电压u1为60v，在78.7khz实现零相角恒流，电流增益为0.1，89khz实现零相角恒压，电压增益为1。
[0132]
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。