CN102427281A

CN102427281A - 一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法

Info

Publication number: CN102427281A
Application number: CN2011104273343A
Authority: CN
Inventors: 黄学良; 强浩; 谭林林; 王维; 周亚龙
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明公开一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，步骤为：首先，从等效电路角度分析不同拓扑结构，从而得到不同拓扑结构下传输系统最优传输效率的表达式；其次，定义一个与负载电阻、传输距离、谐振频率以及线圈尺寸都相关的条件判据；最后，设计实际应用无线能量传输系统时，根据具体参数计算出该条件判据，并根据条件判据选择合适的无线能量传输系统拓扑结构，以获得最优的传输效率。此种设计方法可根据条件判据的值快速、方便、有效地设计无线能量传输系统拓扑结构，以获得系统最优的传输效率。

Description

一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法

技术领域

本发明涉及一种通过条件判据设计无线能量传输系统拓扑结构的方法，属于无线输电技术和新型能量转换技术领域。

背景技术

“无线电能传输”顾名思义就是利用一种特殊设备将电力以无线形式进行传输，从而可以在无需电缆电线的情况下直接传输电能。进入上世纪八十年代以后，随着电视机、冰箱、游戏机、个人便携式IT设备(笔记本电脑、手机)、医疗设备等各类家用电器和通讯设备的出现和日益普及，以及有关电力电子技术及无线电能技术的发展，这使得采用无线技术传输电能成为可能且具有很好的应用前景，无线电能传输技术成为研究的热点和前沿。

对于无线电能传输技术而言，传输效率一直是一个敏感的问题。关于无线能量传输系统拓扑结构，相关学者也进行了深入研究，并取得了一些研究成果。但目前的研究仅仅给出了各种拓扑结构的电压和电流增益情况，并未涉及无线输电系统拓扑结构的设计。作为一种电源系统，其负载往往具有很大的随机性，传输距离也存在一定的不确定性。在发射端不变的情况下，根据负载电阻、传输距离来设计无线电能传输系统的接收端拓扑结构以获得最优的传输效率是设计实际传输系统必须考虑的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，其可根据条件判据的值快速、方便、有效地设计无线能量传输系统拓扑结构，以获得系统最优的传输效率。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，包括如下步骤：

(1)从等效电路角度分析不同拓扑结构，从而得到不同拓扑结构下传输系统最优传输效率的表达式；

(2)定义一个与负载电阻、传输距离、谐振频率以及线圈尺寸都相关的条件判据；

(3)设计实际应用无线能量传输系统时，根据具体参数计算出该条件判据，并根据条件判据选择合适的无线能量传输系统拓扑结构，以获得最优的传输效率。

上述无线能量传输系统包括感应式无线能量传输系统和磁耦合谐振式无线能量传输系统。

上述步骤(1)中，不同拓扑结构包括串联谐振和并联谐振方式。

采用上述方案后，本发明提出的基于条件判据设计系统拓扑结构的方法简单易行，只需在设计前根据各参数计算该条件判据，无需增加系统成本，减少系统结构开发的往复和周期；同时该条件判据的灵敏度高，能较好地指导拓扑结构的设计。

附图说明

图1是无线能量传输系统装置示意图；

图中，1、高频振荡电路，2、高频功率放大电路，3、发射回路，4、接收回路；

图2是无线能量传输系统PSSS谐振补偿拓扑结构的等效电路图；

图3是无线能量传输系统PSSP谐振补偿拓扑结构的等效电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，其所应用的无线能量传输系统连接图可参考图1所示，所述的无线能量传输系统是指非接触式能量传输系统，包括感应式无线能量传输系统和磁耦合谐振式无线能量传输系统；图1所示的无线能量传输系统中，高频振荡电路1的输出端连接高频功率放大电路2的输入端，而高频功率放大电路2的输出端连接发射回路3，所述接收回路4与发射回路3相配合，进行耦合连接，其中，高频振荡电路1、高频功率放大电路2和发射回路3属于系统的能量发射部分，而接收回路4属于系统的负载接收部分，发射部分的结构确定下来后一般不易改变，因此设计实际无线能量传输系统时，主要是根据具体传输的参数设计接收部分的拓扑结构，其方式主要有图2和图3所示两种形式。

本发明所提供的设计方法，包括如下步骤：

(1)对不同拓扑结构的等效电路进行分析，得到不同拓扑结构下传输系统最优传输效率的表达式；此处是不同拓扑结构是指包含次级(负载)线圈的谐振补偿方式，包括串联谐振方式和并联谐振方式；

在本实施例中，以图2和图3所示两种拓扑结构为例，其最优传输效率表达式分别如下：

η_{PSSS} = \frac{{(ωM)}^{3} R_{L}}{(R_{0} + R_{L}) [R_{0}^{2} + R_{0} R_{L} + {(ωM)}^{2}]} \times 100 %

η_{PSSP} = \frac{{(ωM)}^{2} R_{L}^{'}}{(R_{0} + R_{L}^{'}) [R_{0}^{2} + R_{0} R_{L}^{'} + {(ωM)}^{2}]} \times 100 %

其中，

C_D是次级线圈谐振电容；ω是工作角频率，即初级和次级回路的谐振频率；M是互感，与传输距离D的3次方成反比；R_L是负载电阻，R₀是欧姆电阻。

(2)定义一个与负载电阻、传输距离、谐振频率和线圈尺寸等参数都相关的条件判据，在本实施例中，判据K的表达式如下式：

K = \frac{R_{L}^{2}}{1 + {({ωC}_{D} M)}^{2}} - R_{0}^{2} - {(ωM)}^{2}

可见判据K与负载电阻(R_L)，谐振频率(ω)，传输距离(D)，互感(M)和线圈尺寸(主要由欧姆电阻R₀体现，其中μ₀为真空磁导率；a为导线半径；r为线圈半径；n为线圈匝数；σ为电导率；l为导线长度)等参数均相关。

(3)在设计实际无线能量传输系统前，根据线圈的参数(如线圈导线的材料、导线的直径、线圈的半径和匝数)、传输的要求求取该条件判据K，并指导系统拓扑结构的设计，以获得最优的传输效率。例如设计时采用5匝，半径为0.3m，导线直径为1cm的铜线圈，若传输距离为0.3m，工作谐振角频率为3.4Mrad/s，对一个300Ω的负载，计算K大于零，则采用PSSP拓扑结构获得更大的最优传输效率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）从等效电路角度分析不同拓扑结构，从而得到不同拓扑结构下传输系统最优传输效率的表达式；

（2）定义一个与负载电阻、传输距离、谐振频率以及线圈尺寸都相关的条件判据；

（3）设计实际应用无线能量传输系统时，根据具体参数计算出该条件判据，并根据条件判据选择合适的无线能量传输系统拓扑结构，以获得最优的传输效率。

2.如权利要求1所述的一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，其特征在于：所述无线能量传输系统包括感应式无线能量传输系统和磁耦合谐振式无线能量传输系统。

3.如权利要求1所述的一种基于条件判据无线能量传输系统拓扑结构的设计方法，其特征在于：所述步骤（1）中，不同拓扑结构包括串联谐振和并联谐振方式。