一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法

摘要

本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法，包括谐振单元、负载端和逆变电路，其中，负载端与谐振单元的二次侧并联连接，逆变电路与谐振单元的一次侧连接，其中，谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路；第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端，一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接；第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路，第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端，负载阻抗RL的另一端与负载端连接；该电路在PT对称时，整个系统具有高速的频率动态调节能力，保证电路谐振状态，使输出电压稳定不变，同时保持了高效率的无线电能传输。

权利要求

1.一种PT对称的无线电能传输电路，其特征在于，包括谐振单元、负载端和逆变电路，其中，负载端与谐振单元的二次侧并联连接，逆变电路与谐振单元的一次侧连接，其中，谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路；第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端，一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接；

第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路，第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗RL的一端，负载阻抗RL的另一端与负载端连接；

无线电能传输电路具有的PT对称条件，即

其中，kmin为第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间的最小耦合系数。

2.根据权利要求1所述的一种PT对称的无线电能传输电路，其特征在于，逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环。

3.根据权利要求1所述的一种PT对称的无线电能传输电路，其特征在于，逆变电路为单相桥式电路。

4.一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，搭建权利要求1-3中任一项所述的无线电路拓扑结构，且根据该无线电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称条件；

第二步，根据第一步得到的PT对称条件，计算该无线电路拓扑结构上的各个参数，参数包括第一电容C1、第二电容C2和一次侧串联电阻Rf的值；

第三步，根据第二步得到的各个参数值，选择元件搭建无线电能传输电路；

第四步，验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定；

无线电能传输电路具有的PT对称条件，即

其中，kmin为第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间的最小耦合系数。

5.根据权利要求4所述的一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法，其特征在于，第二步中，通过 计算第一电容C1和第二电容C2的值，其中，C1＝C2。

6.根据权利要求4所述的一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法，其特征在于，第二步中，前级串联电阻Rf通过下式计算得到：Rf≈0.436Requal其中，Requal为二次侧交流等效电阻，且

说明书

一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子研究领域，具体涉及一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法。

背景技术

[0002] 相比于通过金属导线进行能量传输的方式，无线功率传输不但没有其传输介质容易老化损耗、传输过程中摩擦产生火花影响设备使用寿命和用电安全的弊端，反而具有便捷、耐用、特殊场合也可适用等优势。因此，在移动终端和电动汽车的充电、体内植入的医疗设备的供电等方面具有广大应用前景，其传输功率问题也在工程实际中越显重要。

[0003] 为了控制无线功率传输系统的传输功率恒定，国内外相关学者也提出一些解决办法。已公开的发明专利《用于控制无线功率传输系统中的干扰的方法和设备》发明了一种功率传输单元 (PTU)的干扰控制方法，可以确定PTU是否处于发生邻近PTU的干扰环境中以及响应于确定的结果是PTU处于所述干扰环境中，最终控制邻近PTU和功率接收单元PRU中的任意一个或两个的通信参数。已公开的发明专利《用于无线功率传输系统的谐波消减设备》设计了一种耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备的装置，此谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减。

[0004] 以上专利中提及的控制方法是目前为数不多的针对无线功率传输系统的恒定传输功率问题的专利，但是这些方法都只能在增加额外的调节单元进行输出功率的控制，并不能保持输出功率的恒定。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种PT对称的无线电能传输电路及其搭建方法，解决了现有的无线功率传输系统的恒定传输功率方法存在不能在传输距离变化的情况下适用的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路，包括谐振单元、负载端和逆变电路，其中，负载端与谐振单元的二次侧并联连接，逆变电路与谐振单元的一次侧连接，其中，[0008] 谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路；第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻 Rf的一端，一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接；

[0009] 第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路，第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗 RL的一端，负载阻抗RL的另一端与负载端连接。

[0010] 优选地，无线电能传输电路具有的PT对称条件，即

[0011]

[0012] 其中，kmin为第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间的最小耦合系数。

[0013] 优选地，逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环。

[0014] 优选地，逆变电路为单相桥式电路。

[0015] 一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法，包括以下步骤：

[0016] 第一步，搭建权利要求1-4中任一项所述的无线电路拓扑结构，且根据该无线电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称条件；

[0017] 第二步，根据第一步得到的PT对称条件，计算该无线电路拓扑结构上的各个参数，参数包括第一电容C1、第二电容C2和一次侧串联电阻Rf的值；

[0018] 第三步，根据第二步得到的各个参数值，选择元件搭建无线电能传输电路；

[0019] 第四步，验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定。

[0020] 优选地，第一步中，PT对称条件的数学表达式为

[0021]

[0022] 优选地，第二步中，通过 计算第一电容C1和第二电容C2的值，其中，C1＝C2。

[0023] 优选地，第二步中，前级串联电阻Rf通过下式计算得到：Rf≈0.436Requal[0024] 其中，Requal为二次侧交流等效电阻，且

[0025] 与现有技术相比是，本发明的有益效果是：

[0026] 本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路，提出的新型无线电能传输电路结构中，谐振单元中的两个谐振电感之间具有耦合性，两个谐振电感之间的耦合性，保证了在一定距离内该电路具有PT对称性；该电路在PT对称时，整个系统具有高速的频率动态调节能力，保证电路谐振状态，使输出电压稳定不变，同时保持了高效率的无线电能传输。

[0027] 本发明提供的本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路的搭建方法，首先搭建具有耦合性谐振单元的无线电能传输电路，根据该电路和耦合模方程得到该电路的PT对称条件，根据PT对称条件计算各个参数，最终选择元件搭建无线电能传输电路；该电路的PT对称性使得在传输距离发生突变时，此系统可以自动调节频率，使系统工作在相应的分裂频率点，使得传输功率恒定；同时，整个系统具有高速的频率动态调节能力，保证电路谐振状态，使输出电压稳定不变，同时保持了高效率的无线电能传输。

附图说明

[0028] 图1是本发明设定的无线电路拓扑结构图；

[0029] 图2是本发明搭建的无线电路拓扑结构图；

[0030] 图3是本发明搭建的无线电路的基本波形图；

[0031] 图4是本发明的负载电压与耦合系数的关系图；

[0032] 图5是本发明在线圈距离变化时的瞬态波形图；

[0033] 图6是本发明的线圈谐振分裂频率曲线图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

[0035] 本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路，该无线电能传输电路是在有较强耦合的情况下满足的PT对称，电路在PT对称时稳定工作频率点是分裂频率点，从而达到恒定传输功率的目的。

[0036] 一种PT对称的无线电能传输电路的设计方法，包括以下步骤：

[0037] 第一步，设定如图1所示的无线电路拓补结构，且根据该电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称的条件，具体地：

[0038] 如图1所示，该无线电能传输电路包括谐振单元、负载端和逆变电路，其中，负载端与谐振单元的二次侧并联连接，逆变电路与谐振单元的一次侧连接。

[0039] 其中，谐振单元包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一谐振电感L1和第一电容C1连接形成并联电路；第一电容C1的并联端子连接有一次侧串联电阻Rf的一端，一次侧串联电阻Rf的另一端与逆变电路的输出端连接；

[0040] 第二谐振电感L2和第二电容C2连接形成并联电路，第二电容C2的并联端子连接有负载阻抗 RL的一端，负载阻抗RL的另一端与负载端连接。

[0041] 逆变电路与谐振单元之间设置有锁相环，其中，锁相环的输入两端子与一次侧第一电容C1两端相连接，用于同步第一电容C1两端的谐振电压；锁相环输出的同步信号一端连接逆变电路中的单相桥式驱动电路模块，其输出的极性相反的两对信号，使单相桥式驱动电路的四个开关成对开通或关断，进而使得整个电路变成了自谐振电路，无需单片机或其他控制芯片。

[0042] 同时，第一谐振电感L1和第二谐振电路L2之间耦合，且两者之间的最小耦合系数为kmin。

[0043] 第二步，根据PT对称条件，结合第一步所建立的无线电能传输电路计算该无线电能传输电路上的各个参数，参数包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第一电容C1、第二电容C2和一次侧串联电阻Rf的值；

[0044] 第三步，根据上述所得的参数，根据计算出的各无源元件电阻、电容和电感值选择元件搭建电路，同时忽略锁相环与控制电路的延迟，进行仿真；

[0045] 第四步，验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定。

[0046] 具体地：

[0047] 第一步中，根据该电路拓扑结构结合耦合模方程得到PT对称的条件的具体方法是：

[0048] 首先，根据电路拓扑结构，得到已知的参数电压Uin、输出电压Uout、输出功率Pout和线圈谐振频率f，根据已知的上述参数建立耦合模方程：

[0049]

[0050]

[0051] 其中a1、a2代表的是耦合模相量，其定义为，

[0052]

[0053] 化简已经建立的耦合模方程，

[0054]

[0055] 其中

[0056]

[0057] 根据上述方程可以推得，

[0058] [j(ω1-ωs)+g]·[j(ω2-ωs)-γL]+κ21κ12＝0

[0059] 再分离上述方程的实虚部，可以知道在ω1＝ω2＝ω0时，电路工作频率ωs在强耦合区 (κ≥γL)和弱耦合区(κ＜γL)均有解，具体地：

[0060] 在强耦合区，可能的工作频率为 无论在哪个分裂频率处工作，都有 频率的选择如图6所示。

[0061] 在弱耦合区，唯一的工作频率是，ωs＝ω0，此时的实际增益为

[0062] 因此，电路具有频率选择的功能，使得在强耦合区可以满足功率传输不变，这是由系统本身的性质所决定的，可以用数学模型即耦合模方程来解释。

[0063] 其次，根据上述建立所得的耦合模方程计算PT对称所需要满足的条件，即强耦合区的条件：

[0064] 根据最小耦合系数kmin得出PT对称条件如下：

[0065]

[0066] 且

[0067] C2＝C1

[0068] 其中，最小耦合系数kmin根据给定的最大的恒功率传输距离算出；RL为负载阻抗，其值为已知且由电路拓扑结构确定。

[0069] 第二步中，根据PT对称条件，结合第一步所建立的无线电能传输电路计算该无线电能传输电路上的各个参数的具体方法是：

[0070] 其中，谐振线圈已经绕制完成，因此，第一谐振电感L1和第二谐振电感L2均为固定值且可由仪器测量出感值；

[0071] 第一电容C1和第二电容C2的值由 十算得出；

[0072] 对于PT对称下的功率恒定时对应最大效率的条件通过下式求得前级串联电阻Rf：

[0073] Rf≈0.436Requal

[0074] 其中，Requal为二次侧交流等效电阻，且

[0075] 第三步，根据上述所得的参数，根据算出的各无源元件电阻、电容和电感值选择元件搭建电路，同时忽略锁相环与控制电路的延迟，进行仿真；

[0076] 根据图1的系统框图以及上述理论计算，可以搭建出如图2、图3所示的仿真电路图，其中，图2将图1的逆变电路具体为一个单相桥式电路。

[0077] 第四步，验证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定

[0078] 电路完全建立后，要先验证模型的准确度和可靠性，在仿真电路中根据上述理论计算设计参数，观察线圈两侧电压大小在强耦合的情况下是否不变。

[0079] 可以看到在强耦合的情况下，电路具有PT对称性，即当

[0080] k＞kmin

[0081] 有

[0082] U1≈U2

[0083] 即在强耦合区内可以达到恒定功率传输；其效果如图4所示。

[0084] 实施例

[0085] 本发明提供的一种PT对称的无线电能传输电路的设计方法，包括以下步骤：

[0086] 第一步，建立电路拓扑结构，其中，该电路结构的系统参数包括：

[0087] 25V的输入直流电压Udc；50W的输出功率Pout；22nF的第一电容C1和第二电容C2；6.26nH 的第一谐振电感L1和第二谐振电感L2；4Ω的前级串联电阻RF；8Ω的负载阻抗RL；
22.17V的谐振电压U1，U2；线圈谐振频率ω1，ω2分别为分裂频率，如分裂频率曲线图6所示；
1uF的滤波电容Cout；1uH的滤波电感Lout；0～0.3的耦合系数k；300的线圈品质因数Q；其中Rl为线圈的寄生电阻。

[0088] 根据上述参数结合耦合模方程得到PT对称条件，即

[0089] 第二步，根据PT对称条件计算第一电容C1、第二电容C2和前级串联电阻RF：

[0090] 其中，根据实际传输距离的需求，取在最大恒定功率传输距离即最小耦合系数处的值为，

[0091] kmin＝0.067

[0092] 则

[0093]

[0094] 前级串联阻抗Rf为，

[0095] Rf≈0.436Requal≈4Ω

[0096] 第三步，选择元件搭建电路；

[0097] 第四步，证上述搭建所得的电路传输功率是否恒定。

[0098] 由本实施例可知，在传输距离发生突变时，此系统可以自动调节频率，使系统工作在相应的分裂频率点，使得传输功率恒定。图5说明了该电路具有高速的动态响应，即在数十微秒内即可完成频率的调节，这种性质来源于电路的PT对称性，不同于传统的复杂算法调节频率措施。

[0099] 基于最终的仿真结果，可以实现一定距离内的恒定功率无线电能传输，可根据结果对系统参数进行修正与调节，反复调试，得出较为理想的模型后再进行系统平台的搭建。通过这种方式，可以在源头处将效率大为提高，且不消耗大量财力、精力与物力，是一种解决无线电能传输功率调节问题的途径之一。