双边LCC补偿的BIPT系统的参数设计方法与流程

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种双边lcc补偿的bipt系统的参数设计方法。

背景技术：

1、双边lcc补偿网络结构具有不易失谐、可在较宽的耦合系数变化条件下实现能量的高效传输等突出优点，非常适合用于电动汽车等耦合系数变化较大、功率需求较高的无线充电相关领域。目前在sae j2954等行业规范中，双边lcc补偿网络已经成为电动车辆领域bipt(bidirectional inductive power transfer，双向感应功率传输)系统的标准补偿网络结构。

2、双边lcc补偿网络在提升设计自由度的同时，增加了参数设计的复杂性。在bipt系统中，双边lcc补偿网络与非接触变压器的原副边自感、互感一同组成了多元谐振系统，当补偿网络参数选取不同时，相同bipt系统的输出增益、输入输出阻抗特性、频率特性以及外特性都会产生差异。因此如何充分利用自由度来确定双边lcc补偿网络元件参数，从而使bipt系统的效率得到优化成为该补偿参数设计的一个难点。对此科研人员分别从阻抗匹配、保证bipt系统输入零相角、保证逆变桥开关管实现零电压开通(zero voltage switch,zvs)等角度出发，对双边lcc补偿网络进行设计优化研究。

3、现有的双边lcc补偿网络参数设计方法，大多在系统输入输出指标一致、非接触变压器原副边自感相近的前提下，保证双边lcc补偿网络的原副边串联补偿电感感值相同。然后从不同的优化角度出发，对剩余的补偿网络参数设计自由度加以利用。这样的设计方法在输入输出接近的对称工况下可以发挥其最优特性，提高ipt系统效率。但是这种对称式设计方法无法在宽输出电压等不对称工况下发挥原有的良好性能。

4、双边lcc补偿网络具有不易失谐且效率高的特点，是bipt系统中的常用补偿网络。现有研究表明，基于双边lcc补偿网络的bipt系统存在参数设计复杂、宽输出电压情况下效率低、轻载工况效率低、补偿元件应力大等问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明提供双边lcc补偿的bipt系统的参数设计方法，解决的技术问题在于：现有基于双边lcc补偿网络的bipt系统参数设计复杂、宽输出电压情况下效率低、轻载工况效率低、补偿元件应力大。

2、为解决以上技术问题，本发明提供双边lcc补偿的bipt系统的参数设计方法，双边lcc补偿的bipt系统包括原边直流电源vdp、原边有源桥、原边lcc补偿网络、原边线圈、副边线圈、副边lcc补偿网、副边有源桥和副边直流电源vds，其关键在于，该参数设计方法包括：

3、定义系统的不对称参数，包括原边线圈的自感lp与其补偿电感lrp的电感比αp，副边线圈的自感ls与其补偿电感lrs的电感比αs，原副边补偿电感比β，原副边激励电压的比值t，传输效率的品质因数电感支路的等效品质因数ω表示系统的工作角频率，rp、rs、rrp、rrs分别为lp、ls、lrp、lrs的内阻；

4、推导从原边向副边正向传输时系统的输出功率和传输效率与不对称参数相关的表达式；

5、根据该输出功率和传输效率的表达式以满足系统输出功率需求为目标确定系统的不对称参数；

6、根据确定的参数计算系统的传输效率和传输功率，判断该传输效率和输出功率是否均满足对应的需求，若是则完成正向传输时的参数设计，若否则返回重新确定一组耦合系数k、原边补偿电感lrp、原边直流电压vdp的值，直至系统传输效率和输出功率满足对应的需求。

7、进一步地，在正向传输的效率表达式中，系统传输效率与激励电压比t、耦合系数k、原边电感比αp、副边电感比αs、原副边补偿电感比β、传输效率的品质因数q和电感支路的等效品质因数qr和原副边有源桥之间的外移相角δ有关；

8、在正向传输的输出功率表达式中，系统输出功率与激励电压比t、原副边补偿电感比β这两个不对称参数以及耦合系数k、原副边外移相角δ、原边有源桥的内移相角θp、副边有源桥的内移相角θs、原边直流电压vdp、原副边线圈的自感lp、ls和原边补偿电感lrp有关。

9、进一步地，根据该输出功率和传输效率的表达式以满足系统输出功率需求为目标确定系统的不对称参数，具体包括步骤：

10、根据实际需求确定系统的工作频率、功率需求和效率需求，以及原边有源桥的内移相角θp、副边有源桥的内移相角θs和原副边有源桥之间的外移相角δ；

11、根据实际需求确定传输效率的品质因数q和电感支路的等效品质因数qr；

12、根据确定的系统工作频率、传输效率的品质因数q以及实际需求确定原副边线圈的自感lp和ls；

13、确定耦合系数k、激励电压比t、原副边补偿电感比β、原边电感比αp、副边电感比αs的取值范围；

14、在耦合系数k、激励电压比t、原副边补偿电感比β的取值范围内确定满足系统功率需求的一组耦合系数k、原边补偿电感lrp、原边直流电压vdp的值；

15、根据确定的原边线圈的自感lp和原边补偿电感lrp确定原边电感比αp，确定副边电感比αs＝αp＝α，根据确定的副边电感比αs和副边线圈的自感ls确定副边补偿电感lrs，根据原边补偿电感lrp和副边补偿电感lrs确定原副边补偿电感比β的值；

16、根据确定的原副边补偿电感比β确定激励电压比t。

17、进一步地，根据确定的原副边补偿电感比β确定的激励电压比

18、进一步地，在步骤s2中，系统的传输效率表达式为：

19、

20、其中，η代表系统的传输效率。

21、进一步地，在步骤s2中，系统的传输功率表达式为：

22、

23、其中，p为系统的输出功率，m满足为原副边线圈之间的互感，副边补偿电感lrs满足up,1和us,1满足且有：

24、

25、

26、up,1和us,1分别为原副边全桥输出电压的基波。

27、进一步地，当反向传输相同大小功率的情况下，原副边互换，新的原副边电感比为β’＝1/β，在系统的传输功率表达式和效率表达式中将β’代替β，其余保持不变。

28、进一步地，在反向传输中，根据确定的原副边补偿电感比β’确定的激励电压比

29、本发明提供的双边lcc补偿的bipt系统的参数设计方法，针对现有的基于双边lcc补偿网络的bipt系统设计为参数对称，但实际系统中lcc补偿网络的参数会不对称，导致系统功率和效率下降的问题，首先定义了不对称参数因子包括原边线圈的自感lp与其补偿电感lrp的电感比αp、副边线圈的自感ls与其补偿电感lrs的电感比αs、原副边补偿电感比为β、原副边激励电压的比值t、传输效率的品质因数q、电感支路的等效品质因数qr等参数，然后推导了系统正向传输和反向传输时的效率、输出功率与这些参数之间的关系，最后基于系统效率、输出功率与这些参数之间的关系设计正向传输时和反向传输时的这些参数，能够满足系统输出功率、传输效率需求。