[发明专利]一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法

说明书

本发明公开了一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，针对负载投入‑移除使得电场耦合无线电能传输系统的拓扑结构发生改变，通常会对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，使得系统无法正常工作这一问题，围绕基于E类变换器的ECPT系统的基本特性分析，利用负载移除前后系统的等效电路形式基本一致的特点，给出了实现系统负载软切换需具备的条件，并提出了一种参数设计方法使得系统在固定的工作频率下即可实现负载的软切换。最后利用该方法得到了一组参数，在MATLAB仿真平台下构建了系统的仿真模型并搭建了实验电路，仿真和实验结果验证了该方法的可行性。

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统领域，具体的说，是一种ECPT(Electric-fieldCoupled Power Transfer，电场耦合型无线电能传输)系统中实现负载软切换的参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无线接入与传输，彻底摆脱了导体连接的束缚，从而具有便捷、灵活、安全、可靠等优点。作为一种电能柔性接入与传输方式，其广大的市场前景和科学研究价值，正日益引起同行的高度重视，现已成为现代电气工程及自动化领域研究与开发的热点，并于2012和2013年连续两次被世界经济论坛列为“对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一”。其中，基于电场耦合的能量传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，形状不受限制；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。因此，国内外许多研究团队越来越关注ECPT技术的研究。

在ECPT实际应用中，例如电动汽车充电、家用电器和移动消费电子设备等领域，负载的种类繁多、功率等级不尽相同，特别是可移动负载设备经常需要从供电系统移入移除。负载的投入-移除使得ECPT系统的拓扑结构发生改变，通常会使系统偏离软开关，导致开关管端电压和流经开关管的电流发生突变，对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，进而使得系统无法正常工作。

发明内容

针对负载投入-移除使得ECPT系统的拓扑结构发生改变，通常会对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，使得系统无法正常工作这一问题，本发明提出了“负载软切换”的概念：系统负载在任意时刻的投入-移除，都要保证系统始终处于软开关工作状态，不会对开关管造成明显的电压电流过冲。当负载投入时，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当负载移除后，系统工作在低功耗状态。本发明给出了实现系统负载软切换需具备的条件，并提出了一种参数设计方法使得系统在固定的工作频率下即可实现负载的软切换。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：

步骤1：选定基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构，其原边电路主要由直流电源、扼流电感、MOSFET开关管、调谐电感、调谐电感前端旁路电容、调谐电感后端调谐电容以及耦合机构中的两块发射极板构成；

步骤2：选定系统参数V_I、L_f、Q_L和R，其中V_I为直流电源电压，L_f为扼流电感值，Q_L为品质因数，R为负载电阻；

步骤3：设定初始参数f、C_s，其中f为系统带负载时的运行频率，C_s为耦合机构的等效电容；