[發明專利]基于F-F/T變拓撲網絡的恒壓-恒流型ECPT系統及參數設計方法

有效

• 申請號: 201810032336.4
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108173353B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 王智慧;謝詩云;蘇玉剛;葉兆虹;朱婉婷
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 50253 重慶敏創專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 陳千

本發明提供了一種基于F?F/T變拓撲網絡的恒壓?恒流型ECPT系統及參數設計方法，系統的原邊電路包括高頻逆變電路、F?LCLC諧振網絡以及發射極板，副邊電路包括接收極板、F/T變拓撲網絡以及整流濾波電路，高頻逆變電路的輸入端接直流電源，整流濾波電路的輸出端接負載，所述原邊電路和副邊電路之間通過發射極板與接收極板之間的電場耦合實現無線電能傳輸；在此基礎上，本發明給出了系統的主要參數設計方法，最后通過仿真與實驗驗證了該系統的恒壓和恒流輸出特性以及參數設計方法的正確性與有效性。

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸技術，具體涉及一種基于F-F/T變拓撲網絡的恒壓-恒流型ECPT系統及參數設計方法。

背景技術

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術作為一種新型的電能接入方式，擺脫了導線的束縛，使電能的接入更加靈活、安全、方便，在諸多領域都具有廣泛的應用前景，越來越受到社會各界的重視。電場耦合式電能傳輸(Electric-field Coupled PowerTransfer,ECPT)技術以電場作為電能傳輸媒介，具有耦合機構簡易輕薄且形狀易變及成本低廉；電場限制于耦合電極之間，對周圍環境產生的電磁輻射極小；可以通過金屬障礙物傳輸電能等優勢。目前已有許多專家學者圍繞旋轉機構、移動機器人、生物醫學設備、移動電話以及電動汽車充電等方面的應用展開研究，并取得了一定的成果。

在實際應用中，一部分用電設備不僅具有負載在運行中發生改變的特點，而且在不同運行階段還需要不同類型的輸入電源。例如在鋰電池的整個充電過程中，初始階段需要恒流源，而當電池電壓達到閾值后則要求恒壓源。當ECPT系統以這類用電設備作為負載時，除了系統的輸出不能隨著負載的改變而發生大范圍的浮動以外，還要能夠在電壓源與電流源兩者間轉換。

在ECPT技術方面，目前尚未見到文獻對這種恒壓-恒流型系統展開研究。但在ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)技術方面，為了實現系統輸出能在恒壓和恒流狀態轉換，現有的文獻提出了三種方案：基于三開關切換的一次側諧振電路、基于單開關切換的一次側諧振電路、基于雙開關切換的二次側諧振電路，如圖1所示。圖中實線框組成典型ICPT系統，帶填充色的虛線框為對應方案所增設或采用的電路環節，L_s1、L_s2和L_m分別表示松耦合變壓器等效電路的一次側漏感、二次側漏感以及勵磁電感。

方案一如圖1中標號①所示，其工作原理為：當負載需要從恒壓轉換到恒流狀態時，這個轉換信號經由通信電路傳送給一次側，繼而通過一次側的通信電路進一步的處理后，再將信號傳給逆變的控制器，控制器進而根據系統的傳輸特性產生控制信號D₁，來調整三開關切換電路中相應開關的通斷狀態，最終通過改變系統的一次側諧振電路的結構來達到轉換輸出特性的效果。可以看到該方案需要在原有系統上增設通信電路。

方案二采用投切電容的方式來實現輸出特性的轉換，如圖1中標號②。當負載需要轉換狀態時，控制器接收到負載發出的請求后，產生控制信號D₂來調整諧振電路中補償電容值。相比于方案一通過切換諧振拓撲來轉換輸出特性，這種方案僅用單個切換開關，因而系統成本和電路復雜度相對較低。然而，由于這兩種方案的切換諧振電路都處在一次側，因而也需要增設通信電路。

方案三將切換電路以及所需的控制器設置在二次側，從而避免了使用通信電路，如圖1中標號③。當負載需要輸出特性由其中一種狀態轉換到另一種狀態時，直接控制雙開關切換電路中相應開關的通斷狀態，來調整二次側諧振電路的結構，最終達到轉換輸出特性的效果。相對于前兩種方案，這種方案不僅具有較低的整體成本以及電路復雜度，而且使得二次側具有更大的移動靈活性，同時系統還能始終運行在ZPA狀態。