[发明专利]基于F-F/T变拓扑网络的恒压-恒流型ECPT系统及参数设计方法

说明书

本发明提供了一种基于F‑F/T变拓扑网络的恒压‑恒流型ECPT系统及参数设计方法，系统的原边电路包括高频逆变电路、F‑LCLC谐振网络以及发射极板，副边电路包括接收极板、F/T变拓扑网络以及整流滤波电路，高频逆变电路的输入端接直流电源，整流滤波电路的输出端接负载，所述原边电路和副边电路之间通过发射极板与接收极板之间的电场耦合实现无线电能传输；在此基础上，本发明给出了系统的主要参数设计方法，最后通过仿真与实验验证了该系统的恒压和恒流输出特性以及参数设计方法的正确性与有效性。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于F-F/T变拓扑网络的恒压-恒流型ECPT系统及参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术作为一种新型的电能接入方式，摆脱了导线的束缚，使电能的接入更加灵活、安全、方便，在诸多领域都具有广泛的应用前景，越来越受到社会各界的重视。电场耦合式电能传输(Electric-field Coupled PowerTransfer,ECPT)技术以电场作为电能传输媒介，具有耦合机构简易轻薄且形状易变及成本低廉；电场限制于耦合电极之间，对周围环境产生的电磁辐射极小；可以通过金属障碍物传输电能等优势。目前已有许多专家学者围绕旋转机构、移动机器人、生物医学设备、移动电话以及电动汽车充电等方面的应用展开研究，并取得了一定的成果。

在实际应用中，一部分用电设备不仅具有负载在运行中发生改变的特点，而且在不同运行阶段还需要不同类型的输入电源。例如在锂电池的整个充电过程中，初始阶段需要恒流源，而当电池电压达到阈值后则要求恒压源。当ECPT系统以这类用电设备作为负载时，除了系统的输出不能随着负载的改变而发生大范围的浮动以外，还要能够在电压源与电流源两者间转换。

在ECPT技术方面，目前尚未见到文献对这种恒压-恒流型系统展开研究。但在ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)技术方面，为了实现系统输出能在恒压和恒流状态转换，现有的文献提出了三种方案：基于三开关切换的一次侧谐振电路、基于单开关切换的一次侧谐振电路、基于双开关切换的二次侧谐振电路，如图1所示。图中实线框组成典型ICPT系统，带填充色的虚线框为对应方案所增设或采用的电路环节，L_s1、L_s2和L_m分别表示松耦合变压器等效电路的一次侧漏感、二次侧漏感以及励磁电感。

方案一如图1中标号①所示，其工作原理为：当负载需要从恒压转换到恒流状态时，这个转换信号经由通信电路传送给一次侧，继而通过一次侧的通信电路进一步的处理后，再将信号传给逆变的控制器，控制器进而根据系统的传输特性产生控制信号D₁，来调整三开关切换电路中相应开关的通断状态，最终通过改变系统的一次侧谐振电路的结构来达到转换输出特性的效果。可以看到该方案需要在原有系统上增设通信电路。

方案二采用投切电容的方式来实现输出特性的转换，如图1中标号②。当负载需要转换状态时，控制器接收到负载发出的请求后，产生控制信号D₂来调整谐振电路中补偿电容值。相比于方案一通过切换谐振拓扑来转换输出特性，这种方案仅用单个切换开关，因而系统成本和电路复杂度相对较低。然而，由于这两种方案的切换谐振电路都处在一次侧，因而也需要增设通信电路。

方案三将切换电路以及所需的控制器设置在二次侧，从而避免了使用通信电路，如图1中标号③。当负载需要输出特性由其中一种状态转换到另一种状态时，直接控制双开关切换电路中相应开关的通断状态，来调整二次侧谐振电路的结构，最终达到转换输出特性的效果。相对于前两种方案，这种方案不仅具有较低的整体成本以及电路复杂度，而且使得二次侧具有更大的移动灵活性，同时系统还能始终运行在ZPA状态。