[发明专利]一种S-LCC型感应式电能传输系统及其动态调谐方法

说明书

本发明公开了一种S‑LCC型感应式电能传输系统及其动态调谐方法，其特征在于，包括：逆变器模块、S‑LCC型谐振器和频率跟踪调节模块，所述逆变器模块用于输出电流信号给所述S‑LCC型谐振器的初级侧，所述S‑LCC型谐振器的次级侧用于给负载提供电压，所述频率跟踪调节模块用于检测所述逆变器的输出电流，根据所述输出电流调节所述逆变器的工作频率，使得系统在过耦合条件下工作在系统高分叉频率的预设范围内。本发明通过频率跟踪，在过耦合条件令系统工作在高分叉频率附近实现功率提升，减少了元器件的电压应力。

技术领域

本发明属于电能传输技术领域，更具体地，涉及一种S-LCC型感应式电能传输系统及其动态调谐方法。

背景技术

感应式电能传输（Inductive Power Transfer，IPT）技术由于具有传输功率大、传输效率高且无需物理连接等优势，因此在物料搬运、电动汽车、电子设备、医疗设备以及水下环境等领域得到了广泛应用。为了保证IPT系统获得较高的传输效率和传输功率，会对系统的初级侧电路和次级侧电路进行谐振补偿，典型的IPT系统工作原理图如图1所示。传统的补偿方式是基于SS、SP、PS和PP型。这四种补偿方式中，SP、PS和PP型系统谐振频率受负载以及耦合系数影响，因此相对而言SS型拓扑应用更为广泛。然而，SS型拓扑的输出特性十分依赖耦合器参数，造成系统参数设计自由度较低。为提高IPT系统的参数设计自由度，研究人员提出了LCC型等拓扑结构。对于双边LCC结构，尽管其参数设计自由度较高，但是其频率特性太复杂，很难应用于变频系统。因此本发明选取S-LCC型拓扑作为研究对象。S-LCC是电路的补偿拓扑结构，是指初级侧通过电容串联谐振补偿，次级侧通过电容-电感-电容补偿的补偿拓扑结构。

在IPT系统中，零电压开关（ZVS）操作对于提高系统效率和减少电磁干扰（EMI）是十分重要的。目前为止，已经提出了许多方法来实现ZVS操作，包括定频系统和变频系统。

然而现有技术中，IPT系统通常工作在欠耦合状态，并且被设计固定距离充电，这样就减少了输出控制的难度以及系统设计的难度。但是，当IPT系统应用在水下环境时，例如给停靠的电动船充电时，其纵向充电距离难以精确控制，外界环境强扰动会导致发射线圈和接收线圈的距离急剧变化，造成IPT系统的耦合器的互感参数会发生相应变化，进而使系统失去软开关条件，降低系统的效率并引起较大的电磁干扰；当工作距离骤减时，IPT系统由欠耦合的正常工作状态进入过耦合的非正常工作状态。此时，针对这种非正常工况，许多拓扑结构的IPT系统输出功率会急剧下降。为此，需要解决IPT系统在一个较宽的距离范围内工作导致系统失谐以及输出功率变化的问题。

针对IPT系统失谐问题，目前主要采取两种动态调谐方法：（1）通过阻抗匹配方法，调谐系统的电感电容等参数，使得系统恢复谐振状态；（2）通过控制调节IPT系统的开关频率，跟踪系统的谐振频率，使得系统工作在谐振状态。

针对功率下降问题，主要通过两种方法实现功率调节：（1）对发射端高频逆变器进行移相控制；（2）在发射端高频逆变器之前或者在接收端整流滤波之后级联DC/DC模块。

尽管上述方法可在一定范围内实现IPT系统的失谐控制和功率调节，但是基本是针对欠耦合条件下进行控制，功率调节的范围也有限。当受到外界扰动，IPT系统由欠耦合状态进入过耦合状态时，输出功率会急剧下降，普通的移相控制以及DC/DC控制的调节范围不够，因此上述方法并不能实现过耦合条件下输出功率的提升。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种S-LCC型感应式电能传输系统及其动态调谐方法，通过频率跟踪，在过耦合条件令系统工作在分叉频率附近实现功率提升，减少了元器件的电压应力。