[发明专利]一种远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法

权利要求书

1.一种远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)目标参数设定：无线充电系统负载接收功率P_L、系统效率η、发射端整流逆变效率η₁、副边线圈整流与DC-DC效率η₃、系统工作频率f以及磁耦合机构间的传输距离d；

(2)根据设计要求计算谐振器所需满足的最低效率η₂；

(3)基于互感等效模型建立LCC-S等效电路，分析获得电路参数与各支路电流、输入功率、输出功率以及效率之间的约束关系；

(4)设计远距离传输条件下的磁耦合机构参数，获得较优的磁耦合机构自感、互感参数；

(5)设计原边补偿电感(电容)参数，并计算得到逆变电源输出电流以及收发线圈电流；

(6)计算补偿电感损耗、涡流损耗、磁滞损耗以及电容损耗；

(7)计算谐振器效率并与目标设定值进行比较，若设计得到的谐振器效率大于等于目标设定效率，则所设计的参数值符合目标参数设定要求；若设计得到的谐振器效率小于目标设定效率，则需要返回步骤(4)重新设计参数。

2.根据权利要求1所述的远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述根据设计要求计算谐振器所需满足的最低效率η₂的具体方法是：

根据发射端整流逆变效率η₁、副边线圈整流与DC-DC效率η₃以及所要求的无线充电系统效率要求η计算谐振器所需要达到的最低效率η₂，其计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述基于互感等效模型建立LCC-S等效电路，分析获得电路参数与各支路电流、输入功率、输出功率以及效率之间的约束关系的具体方法是：

为使得原副线圈均处于谐振状态，则：

根据KVL方程可得：

求解得：

因此，求解得到原边输入功率P_in、负载接收功率P_L以及系统效率η分别为：

式(2)-(8)中，Z_f为输入电源所在支路处的阻抗，Z₁和Z₂分别为初级线圈和次级线圈所在支路处的阻抗；U为谐振补偿网络的输入电压；L_P、L_S分别为原、副线圈的自感，L_f为原边补偿电感；C_P、C_f分别为原边线圈谐振补偿电容和原边补偿电容，C_S为副边线圈的谐振补偿电容；M为磁耦合机构的互感；R_P、R_S、R_f分别为初级线圈、次级线圈和补偿电感的内阻；R_L为负载电阻；ω为角频率，I为电源输入电流，I₁和I₂分别为流过初级线圈和次级线圈中的电流；j为虚数。

4.根据权利要求1所述的远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：步骤(4)中所述设计远距离传输条件下的磁耦合机构参数，获得较优的磁耦合机构自感、互感参数的具体方法是：根据系统的工作频率与传输距离设定参数要求，在ANSYS中建立远距离传输条件下的无线充电系统磁耦合机构的电磁仿真模型，所建立的仿真模型包括线圈和铁氧体，通过参数扫描的方式仿真得到不同磁耦合机构尺寸、匝数时的自感、互感值，再结合式(6)～(8)中的效率计算公式，得到效率增量与互感增量的关系，从而择优选取得到较优的磁耦合机构自感、互感参数值。

5.根据权利要求1所述的远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：步骤(5)中所述设计原边补偿电感参数L_f的具体方法是：根据式(6)～(8)中的计算公式分析L_f参数选取对系统效率以及输出功率的影响，在保证负载接收功率以及最低补偿电感损耗的基础上得的最佳原边补偿电感值。

6.根据权利要求1所述的远距离无线充电LCC-S拓扑参数设计方法，其特征在于：步骤(6)中所述计算补偿电感损耗、涡流损耗、磁滞损耗以及电容损耗的具体方法是：

根据设计得到 的LCC-S参数根据式(5)计算得到各支路电流计算公式，根据P_f＝I²R_f得到补偿电感损耗，其中，补偿电感内阻采用实验室测量或者和制造厂商沟通的方法进行估算，磁耦合机构和补偿电感中的涡流损耗和磁滞损耗通过ANSYS仿真获得；电容损耗采用如下公式计算：

其中，P_f为原边补偿电感的损耗，W_c为电容器的损耗功率，P为电容的有功功率，Q为电容的无功功率，tanσ为电容的损耗正切角，f为电路的工作频率，U_C为电容两端的电压，C为电容的容值。