[发明专利]具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法

说明书

本发明提供一种具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法，在电能发射端设置有两个T型谐振网络，其中第一T型谐振网络由电感L₁、电感L₂以及电容C₁构成的T型LCL谐振网络，第二T型谐振网络由电容C₂、电感L₃以及电场耦合机构的等效电容Cs构成的T型CLC谐振网络，第一T型谐振网络的输入端与逆变器的输出端连接，第一T型谐振网络的输出端与第二T型谐振网络的输入端连接，第二T型谐振网络中的电感L₃的两端分别对应连接在电场耦合机构中的两块发射极板上。其效果是：无需任何额外的检测和控制电路即可实现在负载投入(移入)后高效地为负载提供需要的功率，在负载切除(移除)后工作在低功耗待机状态，降低了系统成本和控制器的设计难度。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种具有双T型谐振网络的ECPT系统及其参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输，彻底摆脱了导体连接的束缚，从而具有便捷、灵活、安全、可靠等优点。作为一种电能柔性接入与传输方式，其广阔的市场前景和科学研究价值正日益引起全球专家学者的高度重视，现已成为现代电气工程及自动化领域研究的热点。其中，基于电场耦合的电能传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，形状易变；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。因此，越来越多的专家学者围绕电场耦合无线电能传输技术展开研究。该技术可以为厨房电器和消费电子等中小功率设备供电；在大功率设备充/供电研究方面，例如电动汽车充/供电领域，也有相关报道。

在某些ECPT技术的应用场景中，例如电动汽车、厨房电器以及消费电子等可移动负载设备的充/供电，系统的电能拾取端(包括：负载，拾取端耦合极板以及功率调节电路等)经常会从供电系统中移入-移除。拾取端的移入-移除可视为一个机械过程，其时间尺度远大于ECPT系统的运行周期。此外，在实际应用中，许多用电设备都安装有电源开关，开关的通断等效为用电设备(负载)的投入-切除。某些家用电器，例如电热水壶，当水沸腾后会自动切断电源。以上几种工况可视为负载在极短的时间内投入到系统或从系统中切除。为了便于区分，本文将拾取端的移入-移除称为负载的移动，将用电设备的投入-切除称为负载的投切。

当负载突然切除时，传统的串联补偿将会在补偿电感上产生很大的电压尖峰，存在安全隐患。因此，有学者在文献：L.Huang,A.P.Hu,A.Swain,and Y.G.Su,Z-Impedancecompensation for wireless power transfer based on electric field,IEEETrans.Power Electronics,vol.31,pp.7556-7563,November 2016.提出了一种基于Z阻抗补偿的ECPT系统有效地解决了该问题。然而，在MATLAB仿真平台用其电路模型和参数进行仿真，仿真发现逆变器输出电流在负载切除后激增，存在烧毁逆变器开关管的风险。在这种情况下，必须保护ECPT系统的电能发射端。此外，虽然一些ECPT系统未采用串联补偿方式，但是在负载切除或移除后系统的待机功率仍然很大，不利于节能减排，并且系统拓扑也相对比较复杂，需要较多的无功元件。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先提出了一种具有双T型谐振网络的ECPT系统，无论负载是移动还是投切，该系统都能防止逆变器开关管出现过电压和过电流冲击。在负载移除或切除后，系统的输入功率较小，自动进入低功耗待机状态，减少系统的损耗；在负载移入或投入后系统能够重新高效地为负载提供需要的功率，并能在负载移除前后始终稳定可靠地工作。以上所有功能都是通过系统拓扑及其相关的参数设计方法实现的，不依赖任何额外的检测和控制方法，降低了系统成本和控制器的设计难度。