[实用新型]基于中继线圈的任意恒压无线电能传输补偿网络结构

说明书

本实用新型涉及一种基于中继线圈的任意恒压无线电能传输补偿网络结构。包括发射线圈回路、中继线圈回路、接收线圈回路，所述发射线圈回路包括串联连接的电压源、发射线圈、发射线圈回路补偿电容，所述中继线圈回路包括串联连接的中继线圈、中继线圈回路补偿电容，所述接收线圈回路包括接收线圈、接收线圈回路串联补偿电容、接收线圈回路并联补偿电容、负载，所述接收线圈的一端经接收线圈回路串联补偿电容与接收线圈回路并联补偿电容的一端、负载的一端连接，接收线圈的另一端与接收线圈回路并联补偿电容的另一端、负载的另一端连接。本实用新型在保持原有补偿网络结构的基础上添加并联补偿电容，使得系统获得良好输出特性并减小逆变器的容量。

技术领域

本实用新型涉及一种基于中继线圈的任意恒压无线电能传输补偿网络结构。

背景技术

随着电动汽车产业的快速发展，人们对充电系统的安全性、便捷性提出了更高的要求。因此，电动汽车的非接触式充电系统也得到了越来越广泛的应用。当传输距离增加，无线电能传输系统的传输效率迅速下降。为解决这一问题，在发射线圈与接收线圈中间插入中继线圈是增大无线能量传输距离的简单易行、经济实惠的有效途径。

中继线圈的存在起到能量中转站的作用，但该系统存在多条功率传输路径，使系统的补偿网络设计复杂且难以获得较好的输出特性。

目前，现有的补偿方式是控制各线圈自感与补偿电容的谐振频率一致，来提高系统的能量传输能力。但这样的补偿方式，第一，负载的输出特性由整个磁耦合系统决定，且无法完全补偿系统的内电抗，输出稳压特性较差。第二，应用中含中继线圈的磁耦合系统存在三个谐振频率，相比于不含中继线圈的两线圈系统更容易出现补偿网络失谐问题。第三，含中继线圈的磁耦合系统存在交叉耦合问题，现有技术在各线圈谐振补偿网络的基础上，通过添加阻抗匹配网络或串联电抗补偿的方式，来消除交叉耦合效应的影响。但这样的补偿方式需要增加器件数量，并且磁耦合系统一旦给定其输出特性就完全确定，无法通过补偿网络参数的设计来获得不同的输出特性。本实用新型针对三线圈的无线电能传输系统中交叉耦合与失谐问题，提出一种含中继线圈的三线圈磁耦合系统的补偿网络结构，在保持原有补偿网络结构的基础上添加并联补偿电容，并通过补偿参数的设计使得系统获得不同等级的恒压输出特性并有效减小了逆变器的容量。该方法中，中继线圈不工作于谐振状态，系统只有两个谐振环节，较传统的三线圈结构不易出现失谐问题。同时该方法综合考虑了交叉耦合的问题，使系统完全补偿，从而获得良好的输出特性。

现有主要的补偿网络拓扑有如下：

1、发射、中继、接收线圈串联电容补偿

采用在各线圈串联电容补偿，将各线圈回路谐振角频率控制在相同角频率下，即补偿拓扑如图1所示。其中L₁为发射线圈自感，L_r为中继线圈自感，L₂为接收线圈自感，M_1r为发射线圈与中继线圈之间的互感，M_r2为中继线圈与接收线圈之间的互感，M₁₂为发射线圈与接收线圈之间的互感，C₁为发射线圈回路补偿电容，C_r为中继线圈回路补偿电容，C₂为接收线圈回路补偿电容。

根据补偿拓扑，列出三个回路的KVL方程，如下式：

其输出特性为：

从其输出特性表达式中，不难发现负载的输出电压难以控制，还与耦合参数有关，交叉耦合影响并未消除。而在发射、中继、接收线圈串联电容谐振补偿的基础上，添加阻抗匹配网络或串联电抗补偿，如图2-5所示，都是为了消除交叉耦合的影响，减少无功功率。