[发明专利]一种降低无线充电系统电应力的设计方法

摘要

一种降低无线充电系统电应力的设计方法，包括以下步骤：步骤A、建立无线充电系统的模型；步骤B、根据实际需求，确定系统性能指标的目标函数；步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统电应力最小化的目标函数；步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统电应力最小的补偿网络参数；步骤E、在实际系统中测试计算得到的补偿网络参数，并根据测试结果对补偿网络参数进行优化。

主权项

1.一种降低无线充电系统电应力的设计方法，应用所述降低无线充电系统电应力设计方法的无线充电系统包括系统电源(201)、逆变器(202)、原边补偿网络(203)、无线能量传输线圈(204)、副边补偿网络(205)、整流器(206)，以及系统负载(207)；所述逆变器(202)的输入端与系统电源(201)相连，逆变器(202)的输出端与原边补偿网络(203)相连，无线能量传输线圈(204)的输入端与原边补偿网络(203)相连，无线能量传输线圈(204)的输出端连接副边补偿网络(205)；副边补偿网络(205)通过整流器(206)与系统负载(207)连接，其特征在于：所述的降低无线充电系统电应力设计方法包含以下步骤：步骤A、建立无线充电系统模型；所述无线充电系统模型包括：描述系统电源(201)的参数，描述系统负载(207)的参数，描述逆变器(202)拓扑结构和工作过程的参数，描述整流器(206)拓扑结构和工作过程的参数，描述无线能量传输线圈(204)的自电感、互电感、杂散电阻的参数，描述原边补偿网络(203)和副边补偿网络(205)中的电感、电容和杂散电阻的参数，以及上述参数之间逻辑关系的表征；步骤B、根据实际需求，确定系统性能指标的目标函数；步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统电应力最小化的目标函数；步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统电应力最小的补偿网络参数；步骤E、在实际系统中测试计算得到的补偿网络参数，并根据测试结果对补偿网络参数进行优化；所述的步骤A中，将系统电源(201)和逆变器(202)综合考虑作为无线充电系统模型的源U_S，将整流器(206)和系统负载(207)综合考虑作为无线充电系统模型的负载Z_L，以集总参数表示无线能量传输线圈(204)、原边补偿网络(203)和副边补偿网络(205)，具体为：无线能量传输线圈的自电感与线圈的杂散电阻串联，无线能量传输线圈之间的感性耦合作用等效表示为与线圈之间的互电感；在原边补偿网络(203)和副边补偿网络(205)中，电感的杂散电阻与电感串联，电容的杂散电阻与电容串联，电感和电容之间的连接方式取决于补偿网络的拓扑结构；所述的步骤A中选取所述的系统电源、系统负载、逆变器和整流器的特征变量，利用状态空间平均法建立逆变器和整流器的状态空间模型，并基于拓扑结构建立线圈和补偿网络的状态空间模型，进而得到系统模型；所述的原边补偿网络(203)和副边补偿网络(205)的参数值通过计算求得，并根据实际系统测试对其进一步优化，以降低无线充电系统的电应力；所述步骤D中，补偿网络参数的求解过程如下：首先根据无线充电系统模型列出系统各参数之间的函数关系；然后求得系统输出功率、传输效率与补偿网络参数的函数关系，进而得到无线能量传输线圈电压、电流与补偿网络参数的函数关系；再根据设计要求确立待求解的补偿网络参数方程组；最后将性能指标目标函数和电应力最小化目标函数作为约束条件，利用非线性方程求解方法求解补偿网络参数方程组，得到补偿网络的参数值；补偿网络参数方程组的求解过程中，系统性能指标目标函数为强约束条件，而电应力最小化目标函数为弱约束条件；即求解过程应优先满足性能指标约束条件，然后在此基础上实现电应力的最小化；所述的步骤B中，所述系统性能指标包括系统工作的额定输出功率、系统的传输效率、保证软开关所需的逆变器负载阻抗、系统的偏移容忍度；所述保证软开关所需的逆变器负载阻抗是指：通过设计补偿网络参数，使逆变器的负载呈一定程度的感性，以保证逆变器各电力电子器件能够更好地工作在软开关状态；所述步骤B中系统性能指标目标函数的确定过程如下：首先根据需要充电的电池类型和电池组容量确定充电电流；再根据充电电流和电池组电压确定额定充电功率，即无线充电系统的额定输出功率，并利用额定输出功率制定适当的充电效率目标；然后根据额定输出功率设计逆变器，得到保证软开关所需的负载电感值；最后根据额定输出功率设计无线能量传输线圈，得到线圈的尺寸，并根据尺寸确定线圈的偏移距离，用以表示系统的偏移容忍度。