[发明专利]一种非完全补偿的无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种非完全补偿的无线电能传输系统，是在SS补偿的无线电能传输系统拓扑的基础上，将原边电容C₁与副边电容C₂取到特定值，结合移相调频控制方法，提升系统输出额定功率的耦合范围；本发明通过找到合适的原边电容C₁和副边电容C₂的组合，使得系统在非完全补偿的情况下，可以在较大的耦合范围内都能输出所需的额定功率。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种无线电能传输系统，尤其涉及一种非完全补偿的无线电能传输系统。

背景技术

图1是SS补偿(series-series，即原边与副边皆串联补偿)的无线电能传输系统简化电路模型。在原边和副边，线圈与串联的电容形成LC谐振，称之为谐振子。此系统的稳态运行可由方程组(1)(2)描述。

(R₁+jX₁)I₁+jωM₁₂I₂＝V₁ (1)

jωM₁₂I₁+(R₂+R_L+jX₂)I₂＝0 (2)

其中，R_i,i＝1or 2,是电路中的寄生电阻，一般包括线圈的电阻与电容器的等效串联电阻；X_i＝ωL_i-1/(ωC_i),i＝1or 2,是谐振子i的电抗；I₁和I₂分别是原边与副边环路的电流相量；V₁是输入电压的相量；M₁₂是两线圈的互感；R_L是等效的负载电阻；ω＝2πf是角频率(f是电源的频率)。

根据无线电能传输的理论，X_i＝0(也就是完全补偿)可以得到最高的电能传输效率和最小的输入视在功率(即输入电压与输入电流同相)。

在完全补偿的前提下，副边在原边中产生的反射阻抗为：

在给定输入电压和等效负载电阻的情况下，忽略寄生电阻的影响，系统的输出功率为：

由此可见，系统的输出功率与互感的平方成反比。

因此在完全补偿且工作频率不变的情况下，系统只能在某一互感值才能实现所需的额定功率。

以具体实例说明，所用线圈参数列于表1中，系统的直流输入电压为400V，额定输出功率为3.3kW，直流输出电压为400V。图2是有限元仿真模型。图3是系统输出功率随气隙距离变化曲线。可以看到，在气隙距离为18cm的时候，系统可输出3.3kW。随着距离减小，输出功率将达不到所需的额定功率；而当距离增大，输出功率将超过额定值。在距离大于18cm的时候，可以通过逆变器的移相控制，减小作用于原边谐振子上的输入电压，但额定输出功率时的输入电流将大于18cm时的数值。比如在18cm时，如果输入直流电压为400V，经过全桥整流后，得到高频方波，其基波有效值约360V，此时输入电流约9.2A，输出功率3.3kW；而在20cm时，通过移相控制，将基波有效值降为267V，输入电流为12.4A，可输出功率3.3kW，但是输入电流对比18cm时增大了35％。

表1线圈参数

由此可见，传统的全补偿SS无线电能传输系统，输出额定功率的耦合范围非常有限。而且虽然可以通过移相控制来增加可用的耦合范围，但也必须增加线圈、补偿电容与逆变器的电流上限。显然，全补偿SS无线电能传输系统在实际应用时具有极大局限性。