[发明专利]一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法

权利要求书

1.一种对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，所述对锂电池充电的无线充电系统包括高频逆变电路、无线电能传输系统发射端、无线电能传输系统接收端、不控整流电路和阻抗匹配电路；所述高频逆变电路的两个电能输出端与所述的无线电能传输系统发射端的电能输入端相连；所述的无线电能传输系统发射端包括LCC型补偿网络拓扑和无线电能传输系统发射线圈；所述的无线电能传输发射端与无线电能传输系统接收端为电气隔离，存在磁耦合感应；所述无线电能传输接收端包括无线电能接收线圈和S型补偿网络拓扑；所述无线电能传输接收端的两个电能输出端与不控整流电路的电能输入端相连；所述的不控整流电路的电能输出端与阻抗匹配电路的电能输入端相连，所述无线电能传输系统发射端的LCC补偿网络拓扑包括发射侧补偿电感L_p1与补偿电容C_P、C_P1；所述无线电能传输系统发射线圈由利兹线绕制而成，其电感为L_P，寄生内阻为R_P；所述无线电能传输接收端的S型补偿网络拓扑包括补偿电容C_S；所述无线电能传输系统接收线圈由利兹线绕制而成，其电感为L_S，寄生电阻为R_S；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)对于高频逆变电路，开关管器件采用软开关启动，以降低开关产生的通断损耗和承受的电压/电流应力；

(2)对于包括发射/接收线圈和补偿网络拓扑的磁耦合机构，效率优化设计又包括如下步骤：

a：根据所需的传输距离确定发射/接收线圈的尺寸，设耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈半径r及传输距离z的关系，设定：

此时获得最大的磁场强度H，以满足发射端与接收端的耦合需求；

b：根据步骤a确定的传输距离在z和选定的发射线圈半径r，通过有限元电磁场仿真软件，仿真计算出发射线圈和接收线圈的参数，包括发射线圈电感L_P、寄生电阻R_P以及接收线圈的电感L_S、寄生电阻R_S；

c：通过多目标优化方法确定无线电能传输系统补偿网络参数配置，令ω＝ω_n·ω₀，其中ω_n为谐振工作频率的倍率，ω₀为谐振频率，ω为设定的工作频率；根据LCC-S拓扑的公式，并简化为：

其中，R_p和R_S分别为发射线圈和接收线圈寄生电阻，R_P1为发射侧补偿电感L_P1的寄生电阻，j为虚数符号，p为补偿电感与发射线圈电感的比值，R_L为负载等效电阻，Z_S为接收端电路的等效阻抗，Z_r为从发射端等效的反映阻抗；LCC型补偿网路以及发射线圈等效为T型网络，从发射端看去，整个系统的输入阻抗为Z_IN；

根据各支路串并联关系可得系统输入电流发射线圈电流和负载电流

其中，U_IN为系统输入电压，M为耦合机构的互感；

将式(2)和(3)代入和中，并设系统处于谐振状态，得磁耦合机构的传输功率和效率为：

式中P_OUT为磁耦合机构的传输功率，η为磁耦合机构的效率；

将磁耦合机构的传输功率和效率作为待优化目标函数并取为负，即：

min[-η,-P_OUT] (6)

选取变量为x＝[ω_n,p]^T，并将磁耦合机构中各元件的电压应力、电流应力限值作为非线性约束条件：

式中，表示磁耦合机构中各元件的电压，表示磁耦合机构中各元件的电流，V_x-max和I_x-max分别为各元件对应的电压和电流应力限值；

通过求解该非线性多目标优化函数，最终确定各元件的参数，使得在满足传输功率的前提下，传输效率达到最优；

(3)对于包括阻抗匹配电路和锂电池负载的无线电能传输负载接收模块的效率优化方法，根据升降压电路的计算公式：

可得：

其中，E为输入电压，I₁为输入电流，U_o为负载端电压，I₂为负载端电流，α为占空比，

令负载等效电阻为R_L，从阻抗匹配网络输入端看进去的等效阻抗R'_L，所以R'_L为：

总体交流阻抗R”_L与负载等效电阻R_L的关系为：

对LCC-S补偿拓扑的输出特性分析得出总体交流阻抗R”_L两端的电压为：

整个磁耦合机构的效率为：

根据最优负载公式，总体交流阻抗R”_L达到最优时，应有：

其中Q₁为发射线圈的品质因数，Q₂为接收线圈的品质因数，通过控制阻抗匹配电路开关管的导通占空比可以将负载电阻R_L等效为任意值，以实现无线电能传输负载的最优效率跟踪。