[發(fā)明專利]一種適應(yīng)于高頻無線能量傳輸?shù)腡SP補償網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010601037.5
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111799894B
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 管樂詩;陳昕;王懿杰;徐殿國
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J7/00;H02M3/335;G06F30/36
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 張宏威

1.一種適應(yīng)于高頻無線能量傳輸?shù)腡SP補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，所述方法適應(yīng)于高頻無線能量傳輸?shù)腡SP補償網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)包括ClassE逆變器、TSP補償網(wǎng)絡(luò)和ClassE整流器，所述ClassE逆變器連接TSP補償網(wǎng)絡(luò)，所述TSP補償網(wǎng)絡(luò)連接ClassE整流器；

ClassE逆變器包括電壓源V_IN、電感L_F、開關(guān)管S₁和電容C_F；所述TSP補償網(wǎng)絡(luò)包括電容C_T0、電容C_T1、電容C_t、耦合線圈、電容C_r和電容C_p，所述耦合線圈由Lp和Ls構(gòu)成，所述耦合線圈的互感是M；ClassE整流器包括二極管D_REC、電感L_REC、電容C_REC、電容Co和負(fù)載電阻R_L1；

所述電壓源V_IN的正極連接電感L_F的一端，電感L_F的另一端分別連接開關(guān)管S₁和電容C_F的一端，所述開關(guān)管S₁和電容C_F的另一端與電壓源V_IN的負(fù)極連接；

電容C_F的一端連接電容C_T0的一端，電容C_T0的另一端連接電容C_T1和電容C_t的一端，所述電容C_T1的另一端連接電容C_F的另一端，電容C_t的另一端連接耦合線圈中的原邊線圈L_P的一端，原邊線圈L_P的另一端連接電容C_T1的另一端，耦合線圈中的副邊線圈L_S的一端連接電容C_r的一端，電容C_r的另一端連接電容C_p的一端，電容C_p的另一端連接副邊線圈L_S的另一端；

電容C_r的另一端連接二極管D_REC、電感L_REC和電容C_REC的一端，二極管D_REC和電容C_REC的另一端連接電容C_p的另一端；電感L_REC的另一端連接電容Co和負(fù)載電阻R_L1的一端，電容Co和負(fù)載電阻R_L1的另一端連接電容C_p的另一端；其特征是：包括以下步驟：

步驟1：采用二端口求解增益的方法，對補償網(wǎng)絡(luò)建立二端口方程；

所述步驟1具體為：

采用二端口求解增益的方法，對補償網(wǎng)絡(luò)建立二端口方程，通過下式表示二端口方程：

其中，A_T為T形結(jié)構(gòu)的二端口傳輸矩陣，A_mag為耦合線圈的傳輸矩陣，A_CSP為副邊Ls所連接的SP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣，A_sys為整個TSP補償網(wǎng)絡(luò)的二端口傳輸矩陣，a₁₁、a₁₂、a₂₁和a₂₂均為矩陣A_TA_mag和A_CSP乘積的結(jié)果，M為互感系數(shù)，Z₁為電容C_T0阻抗，Z₂為電容C_T1阻抗，Z₃為電容C_t阻抗，Z₄為電容C_r阻抗，Z₅為電容C_p阻抗；

步驟2：根據(jù)建立的二端口方程，確定補償網(wǎng)絡(luò)的電壓增益方程；

所述步驟2中根據(jù)建立的二端口方程，確定補償網(wǎng)絡(luò)的電壓增益方程，通過下式表示補償網(wǎng)絡(luò)的電壓增益方程G_vts：

其中，U_out為輸出電壓，U_in為輸入電壓，R為負(fù)載電阻值；

步驟3：根據(jù)電壓增益方程，確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；

所述步驟3具體為：

根據(jù)電壓增益方程，確定等效輸入阻抗，通過下式表示等效輸入阻抗Z_TS：

為了實現(xiàn)電壓增益與負(fù)載無關(guān)，即電壓增益表達式與負(fù)載變量無關(guān)，確定a₁₁，通過下式表示a11：

為了實現(xiàn)等效輸入阻抗角與負(fù)載無關(guān)，且滿足輸入輸出功率守恒，則a₂₁＝0，a₂₂≠0，確定更新后的等效輸入阻抗Z_TS'：

聯(lián)立式(7)和式(9)，得到a₂₂，通過下式表示a₂₂：

確定二端口網(wǎng)絡(luò)矩陣，通過下式表示二端口網(wǎng)絡(luò)矩陣A_sys：

確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，通過下式表示補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：

A_T＝A_sysA_CSP^-1A_mag^-1 (14)

其中，b₁₁＝(Z₁+Z₂)/Z₂，b₁₂＝(Z₁Z₂+Z₂Z₃+Z₁Z₃)/Z₂ b₂₁＝1/Z₂，b₂₂＝(Z₂+Z₃)/Z₂；

經(jīng)過MATLAB計算，得到T型電路的參數(shù)表達式，通過下式表示T型電路的參數(shù)表達式：

步驟4：根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，提取耦合變量，得到補償網(wǎng)絡(luò)的每個元件的參數(shù)值，確定補償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；所述步驟4具體為：根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，提取耦合變量，得到補償網(wǎng)絡(luò)的每個元件的參數(shù)值，確定補償網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；

步驟4.1：根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，正向求取電壓增益表達式，通過下式表示正向電壓增益G_vts'：

其中，Z_m為耦合線圈的阻抗值；

縮小變量范圍，根據(jù)接收側(cè)參數(shù)確定增益參數(shù)，將除互感阻抗變量之外的所有變量作為已知的設(shè)計參數(shù)，對電壓增益進行求導(dǎo)，通過下式表示對正向電壓增益求導(dǎo)：

其中，Z_m0表示最佳耦合系數(shù)點處的互感感抗；

當(dāng)電壓增益在最佳耦合系數(shù)點處導(dǎo)數(shù)為零時，確定滿足電壓增益與負(fù)載無關(guān)的條件，通過下式表示所述滿足電壓增益與負(fù)載無關(guān)的條件：

Z₅＝-2Z₄ (18)

將式(18)帶入(15)，得到補償網(wǎng)絡(luò)的每個元件的參數(shù)值,通過下式表補償網(wǎng)絡(luò)的每個元件的參數(shù)值：

根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)的每個元件的參數(shù)值，確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)與結(jié)構(gòu)。