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专利号: 202011196410X
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-15
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.用于四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC‑SSS补偿电路结构,其特征在于,包括四线圈MCR‑WPT系统,四线圈MCR‑WPT系统由发射驱动线圈、发射中继线圈、接收中继线圈以及接收负载线圈四个线圈依次排列构成,所述发射驱动线圈通过LCC谐振电路连接有逆变器,所述接收负载线圈连接有负载;

所述发射驱动线圈和接收负载线圈是由导线绕成的单匝线圈,单匝线圈与电路设置的补偿电容产生谐振;

所述发射中继线圈和接收中继线圈是多匝螺旋线圈,中继线圈在工作时其本身的电感、寄生电容和线圈电阻发生串联谐振,所有线圈的谐振频率ω0均相同;

所述LCC谐振电路设置在逆变器和发射驱动线圈之间,LCC谐振电路包括补偿电感L0,补偿电感L0的输入端接到逆变器的输出,输出端连接补偿电容C1的一端,补偿电容C1的另一端接发射驱动线圈;补偿电感L0和补偿电容C1的连接点连接有补偿电容C0的一端,补偿电容C0的另一端接到系统地;

实现所述谐振频率ω0相同的方法为:

根据等效电路模型和基尔霍夫电压、电流定律,可以写出线圈补偿网络之间的传输关系为式(1)所示:其中ω为系统工作的角频率:其中Z1、Z2、Z3和Z4分别为四个线圈的等效阻抗:

根据式(1)、(2),进一步得到输入侧UAB和输出侧UO的传递函数G,如式(3)所示:其中Req4、Req3、Req2、Req1分别为从系统输出侧每一级线圈看进去的等效电阻:定义α为L0与L1之间的电感系数,其中0<α<1:

L0=αL1                       (6)由于原边受控源jωM12I2相当于一个纯电阻Req2,发射驱动线圈原边的LCC‑SSS补偿电路结构为纯阻性的二阶谐振电路;由纯阻性的二阶谐振电路分析可知,为了实现系统零相位角输入,原边补偿电感L0与其对应的补偿电容C0应满足如式(7):补偿电容C0应根据式(6)和式(7)进行设计,则C0应满足式(8):实现所述谐振频率ω0相同的参数选取方法具体按照如下步骤实施:步骤1,确定线圈的谐振电容C1、C2、C3及C4的选取;

为了使谐振系统正常工作,且线圈的寄生电容需要对线圈的形状、大小及线间距等进行调节; 通常线圈的等效电感L1、L2、L3、L4与固有谐振频率ω0已知,根据式(9)设计C1、C2、C3及C4,使系统满足谐振条件:步骤2,通过系统的传输效率和输出功率得到系统的传输特性曲线;

根据式(1)~(9)可以整理得到LCC‑SSS系统的传递效率η和系统输出功率Pout关于α的表达形式如式(10)和式(12)所示,通过传输效率和输出功率公式绘制传输特性曲线:系统的传输效率η为:

其中:

系统的输出功率Pout为:

其中GLCC_SSS为MCR‑WPT系统在LCC‑SSS补偿网络时的传递函数:步骤3,通过传输特性曲线对电感系数α进行选取;

在电感系数α选择不同值时耦合系数k23变化导致系统输出功率和传输效率变化,通过输出功率可以看出当α越小时,输出功率的最大值越大;系统的输出功率在一个固定的耦合系数k23达到最大值,最大功率处对应的传输距离不随α变化;当α越小时,系统整体的传输效率越小; 另外当α越小时,系统取得最大传输效率处的耦合系数k23越小,从输出功率来看希望α越小越好,从传输效率和传输距离来看更希望α越大越好;对输出功率和传输效率之间进行折衷后选择α=0.5作为最终最佳电感系数;

步骤4,确定LCC‑SSS谐振电路的补偿电感L0;

由于根据式(6)定义了α为L0与L1之间的电感系数,在确定电感系数α=0.5后LCC‑SSS谐振电路的补偿电感L0应满足式(14):L0=0.5·L1                      (14)步骤5,确定LCC‑SSS谐振电路的补偿电容C0;

根据式(8)中补偿电容C0的选取条件,在确定电感系数α=0.5后LCC‑SSS谐振电路的补偿电容C0应满足式(15):C0=C1                      (15)最终得到四线圈磁耦合谐振无线输电系统的LCC‑SSS补偿电路结构的元件参数选取方法;

上述公式(1)~(15)中各参数的定义如下:

US为逆变器输出电压有效值;RL为系统的负载电阻;UAB为输入补偿电阻RS之后发射线圈上的电压;L1、L2、L3和L4分别为四个线圈的等效电感;C1、C4分别为发射驱动线圈和接收负载线圈的补偿电容;C2、C3为中继线圈寄生电容;I1、I2、I3和I4分别为流过四个线圈上的电流;

R1、R2、R3和R4分别为四个线圈上的等效电阻;k12为发射驱动线圈和发射中继线圈之间的耦合系数;k23为发射中继线圈和接收中继线圈之间的耦合系数;k34为接收中继线圈和接收负载线圈之间的耦合系数;M12为发射驱动线圈和发射中继线圈之间的耦合电感;M23为发射中继线圈和接收中继线圈之间的耦合电感;M34为接收中继线圈和接收负载线圈之间的耦合电感,R0为LCC谐振电路寄生电阻。