[發明專利]一種對鋰電池充電的無線充電系統及其效率優化方法

有效

• 申請號: 202010545457.6
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111917195B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 譚林林;孟濤;黃學良;湯宗堯;鐘汝瑩;李佳承
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;B60L53/12;G06F30/23;H03H11/28
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

1.一種對鋰電池充電的無線充電系統的效率優化方法，所述對鋰電池充電的無線充電系統包括高頻逆變電路、無線電能傳輸系統發射端、無線電能傳輸系統接收端、不控整流電路和阻抗匹配電路；所述高頻逆變電路的兩個電能輸出端與所述的無線電能傳輸系統發射端的電能輸入端相連；所述的無線電能傳輸系統發射端包括LCC型補償網絡拓撲和無線電能傳輸系統發射線圈；所述的無線電能傳輸發射端與無線電能傳輸系統接收端為電氣隔離，存在磁耦合感應；所述無線電能傳輸接收端包括無線電能接收線圈和S型補償網絡拓撲；所述無線電能傳輸接收端的兩個電能輸出端與不控整流電路的電能輸入端相連；所述的不控整流電路的電能輸出端與阻抗匹配電路的電能輸入端相連，所述無線電能傳輸系統發射端的LCC補償網絡拓撲包括發射側補償電感L_p1與補償電容C_P、C_P1；所述無線電能傳輸系統發射線圈由利茲線繞制而成，其電感為L_P，寄生內阻為R_P；所述無線電能傳輸接收端的S型補償網絡拓撲包括補償電容C_S；所述無線電能傳輸系統接收線圈由利茲線繞制而成，其電感為L_S，寄生電阻為R_S；

其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)對于高頻逆變電路，開關管器件采用軟開關啟動，以降低開關產生的通斷損耗和承受的電壓/電流應力；

(2)對于包括發射/接收線圈和補償網絡拓撲的磁耦合機構，效率優化設計又包括如下步驟：

a：根據所需的傳輸距離確定發射/接收線圈的尺寸，設耦合機構的傳輸距離為z,根據磁場大小H與發射線圈半徑r及傳輸距離z的關系，設定：

此時獲得最大的磁場強度H，以滿足發射端與接收端的耦合需求；

b：根據步驟a確定的傳輸距離在z和選定的發射線圈半徑r，通過有限元電磁場仿真軟件，仿真計算出發射線圈和接收線圈的參數，包括發射線圈電感L_P、寄生電阻R_P以及接收線圈的電感L_S、寄生電阻R_S；

c：通過多目標優化方法確定無線電能傳輸系統補償網絡參數配置，令ω＝ω_n·ω₀，其中ω_n為諧振工作頻率的倍率，ω₀為諧振頻率，ω為設定的工作頻率；根據LCC-S拓撲的公式，并簡化為：

其中，R_p和R_S分別為發射線圈和接收線圈寄生電阻，R_P1為發射側補償電感L_P1的寄生電阻，j為虛數符號，p為補償電感與發射線圈電感的比值，R_L為負載等效電阻，Z_S為接收端電路的等效阻抗，Z_r為從發射端等效的反映阻抗；LCC型補償網路以及發射線圈等效為T型網絡，從發射端看去，整個系統的輸入阻抗為Z_IN；

根據各支路串并聯關系可得系統輸入電流發射線圈電流和負載電流

其中，U_IN為系統輸入電壓，M為耦合機構的互感；

將式(2)和(3)代入和中，并設系統處于諧振狀態，得磁耦合機構的傳輸功率和效率為：

式中P_OUT為磁耦合機構的傳輸功率，η為磁耦合機構的效率；

將磁耦合機構的傳輸功率和效率作為待優化目標函數并取為負，即：

min[-η,-P_OUT] (6)

選取變量為x＝[ω_n,p]^T，并將磁耦合機構中各元件的電壓應力、電流應力限值作為非線性約束條件：

式中，表示磁耦合機構中各元件的電壓，表示磁耦合機構中各元件的電流，V_x-max和I_x-max分別為各元件對應的電壓和電流應力限值；

通過求解該非線性多目標優化函數，最終確定各元件的參數，使得在滿足傳輸功率的前提下，傳輸效率達到最優；

(3)對于包括阻抗匹配電路和鋰電池負載的無線電能傳輸負載接收模塊的效率優化方法，根據升降壓電路的計算公式：

可得：

其中，E為輸入電壓，I₁為輸入電流，U_o為負載端電壓，I₂為負載端電流，α為占空比，

令負載等效電阻為R_L，從阻抗匹配網絡輸入端看進去的等效阻抗R'_L，所以R'_L為：

總體交流阻抗R”_L與負載等效電阻R_L的關系為：

對LCC-S補償拓撲的輸出特性分析得出總體交流阻抗R”_L兩端的電壓為：

整個磁耦合機構的效率為：

根據最優負載公式，總體交流阻抗R”_L達到最優時，應有：

其中Q₁為發射線圈的品質因數，Q₂為接收線圈的品質因數，通過控制阻抗匹配電路開關管的導通占空比可以將負載電阻R_L等效為任意值，以實現無線電能傳輸負載的最優效率跟蹤。