适用长导轨式无线传能系统的分布式LCC补偿网络拓扑的制作方法

适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑
技术领域
1.本发明涉及无线传能技术领域，尤其涉及一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑。


背景技术：

2.无线传能技术是一种实现电能无接触传输的新型供电技术，基于电磁感应原理实现电能无接触传输，常应用于手机、电动牙刷、小型机器人、电动汽车、轨道交通及磁悬浮等。
3.无线传能技术基本原理如图3所示，其中l
t
和lr分别为发射线圈和接收线圈的自感，m为互感，r
t
和rr分别为发射线圈和接受线圈的电阻，i
t
为发射线圈电流，ir为接收线圈电流，和分别为发射端和接收端的电压。补偿网络是无线传能系统的重要组成部分，用于实现系统谐振，补偿网络在提高传输效率和传输功率等方面具有重要作用。不同拓扑的补偿网络具有不同的特点，适用于不同类型的无线传能系统。
4.无线传能系统根据线圈结构的不同可分为长导轨型和线圈阵列型，长导轨型指发射线圈为连续长段，尺寸远大于接收线圈，如图4所示；线圈阵列型指发射线圈与接收线圈尺寸相同，在铺设范围内发射线圈呈现小线圈阵列的形式，其示意图如图5所示。
5.lcc补偿网络拓扑是无线传能技术的通用拓扑结构，现有技术中lcc补偿网络拓扑基本结构如图6所示，其特点是针对发射线圈仅需一组lcc补偿，即一个串联谐振电感l
f1
，一个并联谐振电容c
f1
和一个串联谐振电容c1，一般应用于发射线圈长度较短的导轨式无线传能或线圈阵列式无线传能中。该补偿网络的特点是线圈感应电压u
lt
＝jωl
tilt
一般较小，对补偿电容c1、c
f1
等的耐压值要求较低。但是对于长导轨式无线传能系统，当发射线圈长度达数百米至公里级时，线圈自感l1极大，导致u
l1
高达10kv及以上，这对于发射线圈电缆及补偿电容的选择造成极大困难。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.本发明提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，该适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑包括：串联谐振电感、并联谐振电容和n个分布式串联电容线圈组，串联谐振电感与n个分布式串联电容线圈组串联，并联谐振电容与n个分布式串联电容线圈组并联；n个分布式串联电容线圈组包括n个串联谐振电容和n个发射线圈，n≥2，n为整数。
8.进一步地，n个串联谐振电容和n个发射线圈交替串联设置。
9.进一步地，n个串联谐振电容的电容值相等，n个发射线圈的自感相等，n个发射线圈的电阻相等。
10.进一步地，分布式lcc补偿网络拓扑的参数表达式为其中，l
f1
为串联谐振电感，j表示模数，ω为发射线圈频率，为发射线圈的电流向量，为发射端的电压向量，c
f1
为并联谐振电容，c1为串联谐振电容，l1为发射线圈自感。
11.应用本发明的技术方案，提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，该一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑通过设置n个串联谐振电容和n个发射线圈降低了发射线圈绝缘电压等级，进而降低了lcc补偿网络的绝缘设计难度和各器件的绝缘需求。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中长导轨式无线传能系统的lcc补偿网络拓扑对发射线圈绝缘等级要求过高，限制了发射线圈和补偿电容参数选择的技术问题。
附图说明
12.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的分布式lcc补偿网络拓扑的电路示意图；
14.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的分布式lcc补偿网络拓扑的连接示意图；
15.图3示出了现有技术中的无线传能系统示意图；
16.图4示出了现有技术中的lcc补偿网络拓扑的电路示意图；
17.图5示出了现有技术中的长导轨型发射线圈结构示意图；
18.图6示出了现有技术中的线圈阵列型发射线圈结构示意图。
19.其中，上述附图包括以下附图标记：
20.1、地面变流器；2、分布式lcc补偿网络拓扑；3、整流滤波电路及负载。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
24.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，该适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑包括：串联谐振电感、并联谐振电容和n个分布式串联电容线圈组，串联谐振电感与n个分布式串联电容线圈组串联，并联谐振电容与n个分布式串联电容线圈组并联；n个分布式串联电容线圈组包括n个串联谐振电容和n个发射线圈，n≥2，n为整数。
25.应用此种配置方式，提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，该一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑通过设置n个串联谐振电容和n个发射线圈降低了发射线圈绝缘电压等级，进而降低了lcc补偿网络的绝缘设计难度和各器件的绝缘需求。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中长导轨式无线传能系统的lcc补偿网络拓扑对发射线圈绝缘等级要求过高，限制了发射线圈和补偿电容参数选择的技术问题。
26.进一步地，在本发明中，n个串联谐振电容和n个发射线圈交替串联设置。当发射线圈长度为数百米至公里级时，线路感应电压极高，对绝缘设计产生极大影响。如图2所示，本发明的分布式lcc补偿网络拓扑将数百米至公里级的发射线圈分成n段，串联谐振电容c1间隔分布于发射线圈r1中，每段发射线圈r1通过一个串联谐振电容c1补偿，从而减小每一段发射线圈的感应电压，降低器件绝缘要求，实现分布式lcc补偿。
27.此外，在本发明中，为了便于长导轨式无线传能系统的参数计算，以及考虑到器件的简洁性，可配置n个串联谐振电容的电容值相等，n个发射线圈的自感相等，n个发射线圈的电阻相等，即将n个分布式串联电容线圈组等效为lc串联。
28.传统的lcc补偿网络参数设计表达式为其中，l
f1
为串联谐振电感，j表示模数，ω为发射线圈频率，为发射线圈的电流向量，为发射端的电压向量，c
f1
为并联谐振电容，c1为串联谐振电容，l1为发射线圈自感。
29.本发明的分布式lcc补偿网络拓扑结构的谐振条件为从而可以得到分布式lcc补偿网络拓扑的参数表达式为
30.作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，分布式lcc补偿网络拓扑分别与地面变流器和整流滤波电路及负载连接。
31.本发明的适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑可实现公里级长度的发射线圈谐振，降低了发射线圈绝缘电压等级，进而降低了lcc补偿网络的绝缘设计难度和各器件的绝缘需求。
32.为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1和图2对本发明的分布式lcc补偿网络拓扑进行详细说明。
33.作为本发明的一个具体实施例，预计铺设1km无线传能系统，发射线圈单位长度自感为2μh/m，发射线圈电流为400a，频率10khz，逆变器输出电压为100v。
34.若采用传统lcc补偿，如图4所示，1km发射线圈作为一段，则发射线圈自感l1＝2mh，绝缘等级u
lt
＝ωl1i
l1
＝2π
×
10000
×2×
10-3
×
400＝50.27kv。
35.此时lcc参数为
36.此时c1耐压等级要求为该绝缘等级的电容选型较为困难。
37.当采用本发明的分布式lcc补偿网络拓扑时，可将1km发射线圈分为十段，每段100m，采用十个串联谐振电容c1补偿。则每段发射线圈自感为l1＝2mh/10＝200μh，绝缘等级u
lt
＝ωl1i
l1
＝2π
×
10000
×2×
10-4
×
400＝5.03kv。
38.此时分布式lcc补偿参数为
39.此时电容耐压等级为该绝缘等级的电容相对于50kv绝缘等级的电容选型要更加容易一些。
40.与传统lcc补偿网络拓扑相比，本发明的分布式lcc补偿可以有效降低器件的耐压等级和绝缘要求至原需求的1/n，且随着分段数量的增加逐步降低，有效提高了系统和器件的经济性和安全性。
41.综上所述，本发明提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，该一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑通过设置n个串联谐振电容和n个发射线圈降低了发射线圈绝缘电压等级，进而降低了lcc补偿网络的绝缘设计难度和各器件的绝缘需求。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中长导轨式无线传能系统的lcc补偿网络拓扑对发射线圈绝缘等级要求过高，限制了发射线圈和补偿电容参数选择的技术问题。
42.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
43.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
44.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，其特征在于，所述适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑包括：串联谐振电感、并联谐振电容和n个分布式串联电容线圈组，所述串联谐振电感与所述n个分布式串联电容线圈组串联，所述并联谐振电容与所述n个分布式串联电容线圈组并联；所述n个分布式串联电容线圈组包括n个串联谐振电容和n个发射线圈，n≥2，n为整数。2.根据权利要求1所述的适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，其特征在于，所述n个串联谐振电容和所述n个发射线圈交替串联设置。3.根据权利要求1或2所述的适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，其特征在于，所述n个串联谐振电容的电容值相等，所述n个发射线圈的自感相等，所述n个发射线圈的电阻相等。4.根据权利要求1至3中任一项所述的适用长导轨式无线传能系统的分布式lcc补偿网络拓扑，其特征在于，所述分布式lcc补偿网络拓扑的参数表达式为其中，l
f1
为串联谐振电感，j表示模数，ω为发射线圈频率，为发射线圈的电流向量，为发射端的电压向量，c
f1
为并联谐振电容，c1为串联谐振电容，l1为发射线圈自感。

技术总结
本发明提供了一种适用长导轨式无线传能系统的分布式LCC补偿网络拓扑，该适用长导轨式无线传能系统的分布式LCC补偿网络拓扑包括：串联谐振电感、并联谐振电容和n个分布式串联电容线圈组，串联谐振电感与n个分布式串联电容线圈组串联，并联谐振电容与n个分布式串联电容线圈组并联；n个分布式串联电容线圈组包括n个串联谐振电容和n个发射线圈，n≥2，n为整数。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中长导轨式无线传能系统的LCC补偿网络拓扑对发射线圈绝缘等级要求过高，限制了发射线圈和补偿电容参数选择的技术问题。和补偿电容参数选择的技术问题。和补偿电容参数选择的技术问题。


技术研发人员：蔡华 张艳清 曹斌 马逊 李晓光 孙绍哲 余笔超
受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13