CN105375650A

CN105375650A - 一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法

Info

Publication number: CN105375650A
Application number: CN201510946208.7A
Authority: CN
Inventors: 黄学良; 王维; 潘书磊; 刘瀚; 谭林林
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明公开了一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，主要包括：中距离无线电能传输系统的传输距离设定，计算含中继线圈的三线圈式无线电能传输系统的负载功率与整体效率以及最大化功率或效率输出时的阻抗条件，同时以实际功率及效率需求作为优化目标，建立功效一体化目标函数，根据实际应用指标确定中距离无线电能传输系统的约束条件，最终确定达到优化目标时的中继线圈优化参数。

Description

一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法

技术领域

本发明涉及无线电传输技术领域，特别涉及一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法

背景技术

近些年来，随着无线电能传输技术研究的不断升温及其相关应用领域的不断拓宽，越来越多的科学家对此项技术给予了足够的肯定。相比之下，传统的电缆输电系统呈现出越来越多的弊端，在深海、煤矿、化工等特殊领域，火花、输电线路的铺设及维修困难等一系列安全性、建设性问题已经使得这些行业迫切需要无线电能传输技术的青睐。自从特斯拉开辟了无线输电领域之后，国内外诸多学者纷纷投身其中，但收效甚微。自2007年MIT在电磁共振原理上进行突破，成功在2m以外点亮了一只60w的灯泡，这才为中远距离以及高效率无线电能传输技术的发展提供了一个新的思路。

无线电能传输系统的设计需遵循两个原则：1)效率最大化原则；2)功率最大化原则。最大效率原则通常是无线电能传输的首选，而最大功率原则则是通过阻抗匹配来达到当输入功率无限制时的功率最大化传输，但它有一个弊端，就是系统效率不会超过50％。通常情况下，两线圈结构的无线电能传输系统在短距离应用时会遵循最大效率原则而同时系统也会达到能量的足量传输，但当传输距离增加时，系统的传输效率与传输功率均会急剧下降。同时，四线圈结构的无线电能传输系统虽然可被用来增加系统的传输距离，但这种结构是以牺牲系统效率为代价的。相比较上述两种结构的无线电能传输系统，包含单中继线圈的三线圈结构式无线电能传输系统可以在不牺牲系统传输性能的情况下提升传输距离。虽然目前中继线圈已被用来提升系统的传输距离，但缺乏一套详细、具体、有针对性、实用性强的设计方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，该方法详细、具体、有针对性、实用性强，解决了现有技术中的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，包括如下步骤：

步骤1)、定义中距离无线电能传输系统的传输距离1.0m≤d≤3m，1～3米为中距离无线电能传输系统的一般传输距离范围，也可适当扩大，一般限定在5米范围内，否则三线圈结构对于传输效率与功率的提升将不一定能同时满足约束条件中的①和②。

定义中距离无线电能传输系统中的发射线圈、中继线圈和接收线圈为半径相同的空间螺旋线圈，发射线圈与接收线圈的匝数相同；若非空间螺旋线圈、发射与接收线圈匝数不同，则最优化中继线圈参数的计算将变得繁琐，没有规律可循，为了简化设计方法，寻求特殊的实际规律，列出较为特殊的情况，这样可得出具体优化设计方法，对实际应用的指导性强。

步骤2)、调谐无线电能传输系统的发射线圈、中继线圈与接收线圈至谐振状态，采用阻抗变换法计算得出三线圈结构的中距离无线电能传输系统负载功率和整体效率；

负载功率表达式：

{P_{o}}^{'} = (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot {U_{s}}^{2} \cdot Γ_{1} \cdot \frac{1}{[\frac{{(r_{1} + r_{s})}^{2} (r_{r} + Γ_{1})}{Γ_{2}} + Γ_{2} (r_{r} + Γ_{1}) + 2 (r_{1} + r_{s}) (r_{r} + Γ_{1})]},

整体效率表达式：

η^{'} = (1 - \frac{r_{2}}{r_{2} + R_{L}}) \cdot (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot \frac{Γ_{1} Γ_{2}}{(r_{r} + Γ_{1}) (r_{1} + r_{s} + Γ_{2})},

其中，U_s为电源，r_s为电源内阻，r₁、r_r、r₂分别为发射线圈、中继线圈与接收线圈的内阻，R_L为负载阻值，Γ₁为接收线圈至中继线圈的两级映射阻抗，Γ₂为中继线圈至发射线圈的两级映射阻抗，功率分配系数κ＝Γ₁/r_r；根据偏导计算规则,求得最大功率输出条件为：Γ₂＝r₁+r_s，最大效率条件为：Max{Γ₁Γ₂}；

步骤3)、确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：

其中，负载的功耗需求为P_L，系统传输效率需求为d为发射线圈与接收线圈的传输距离、d_1r为中继线圈与发射线圈的传输距离、d_2r为中继线圈与接收线圈的传输距离，N_r为中继线圈匝数，ζ为与中继线圈的匝数及中继线圈所处的位置有关的比例系数；

步骤4)、建立功效一体的优化目标函数：

f(d_1r,N_r)＝P_o'·η'；

求取目标函数同时满足约束条件①和②的最大值：Max{f(d_1r,N_r)}，并对函数做优化求解，得出中继线圈的最优化参数。

对目标函数求偏导：求得当传输距离1.0m<d<3.0m且N_r取有限匝数时，

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial d_{1 r}} \approx \frac{d}{2},

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial N_{r}} = M a x {N_{r}};

上述优化参数即表示当中继线圈处于发射线圈与接收线圈中间时无线电能传输系统的接收功率与系统效率整体指标达到最优。

进一步的，中继线圈放在中间时，可使得条件①和②同时满足，此时为同时满足①和②的最优化参数。

进一步的，当电源电压不足以达到接收功率的要求或者受到电磁干扰、传输介质以及电磁偏移等外界因素影响而使得此时的最优化参数还不能同时满足条件①和②，则可通过增加N_r的值进一步提升最优化参数，直到最优化参数同时满足条件①和②为止。

有益效果：本发明提供的一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法为一套详细、具体、有针对性、实用性强的三线圈式无线电能传输系统中继线圈设计方法，本发明从无线电能传输系统的功效整体性能入手，在增加传输距离的前提下给出一套中继线圈的详细优化设计方法，解决在设计三线圈式无线电能传输系统的关键难题，为无线电能传输系统在中远距离下的应用提供更为明确的指导。

附图说明

图1为本发明的结构电路拓扑图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，包括如下步骤：

步骤1)，设定无线电能传输系统的传输距离，拟定中距离范围为1.0m≤d≤3m，所述中距离为发射线圈与接收线圈之间的传输距离。1～3米为中距离无线电能传输系统的一般传输距离范围，也可适当扩大，一般限定在5米范围内，否则三线圈结构对于传输效率与功率的提升将不一定能同时满足约束条件中的①和②；

所述发射线圈、中继线圈、接收线圈均为半径相同的空间螺旋线圈，且发射线圈与接收线圈的匝数相同，若非空间螺旋线圈、发射与接收线圈匝数不同，则最优化中继线圈参数的计算将变得繁琐，没有规律可循，为了简化设计方法，寻求特殊的实际规律，列出较为特殊的情况，这样可得出具体优化设计方法，对实际应用的指导性强。

步骤2)，当无线电能传输系统的发射线圈、中继线圈与接收线圈均调谐至谐振状态时，采用阻抗变换法计算得出三线圈结构的中距离无线电能传输系统负载功率与整体效率表达式并确定最大化功率或效率输出时的条件，负载功率与整体效率表达式为：

{P_{o}}^{'} = (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot {U_{s}}^{2} \cdot Γ_{1} \cdot \frac{1}{[\frac{{(r_{1} + r_{s})}^{2} (r_{r} + Γ_{1})}{Γ_{2}} + Γ_{2} (r_{r} + Γ_{1}) + 2 (r_{1} + r_{s}) (r_{r} + Γ_{1})]}

η^{'} = (1 - \frac{r_{2}}{r_{2} + R_{L}}) \cdot (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot \frac{Γ_{1} Γ_{2}}{(r_{r} + Γ_{1}) (r_{1} + r_{s} + Γ_{2})}

其中，U_s为实际电压源，r_s为电源内阻，r₁、r_r、r₂分别为发射线圈、中继线圈与接收线圈的内阻，R_L为负载阻值，Γ₁、Γ₂分别为接收线圈至中继线圈、中继线圈至发射线圈的两级映射阻抗，κ为功率分配系数，此时κ＝Γ₁/r_r；根据偏导计算规则求得最大功率输出条件为：Γ₂＝r₁+r_s，最大效率条件为：Max{Γ₁Γ₂}；

步骤3)，根据实际应用指标确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：

假设负载的功耗需求为P_L，系统传输效率需求为d、d_1r、d_r2分别为发射线圈与接收线圈、中继线圈与发射线圈、中继线圈与接收线圈之间的传输距离，N_r为中继线圈匝数，ζ为比例系数，它仅与中继线圈的匝数N_r以及其所处的位置有关；

步骤4)，建立功效一体的优化目标函数，并对函数做优化求解，得出中继线圈的最优化参数值：

功效一体化目标函数为：f(d_1r,N_r)＝P_o'·η'，

所述目标函数需同时满足约束条件①和②，并求取目标函数的最大值，即Max{f(d_1r,N_r)}；

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial d_{1 r}} \approx \frac{d}{2},

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial N_{r}} = M a x {N_{r}};

上述优化参数表示当中继线圈处于发射线圈与接收线圈中间时无线电能传输系统的接收功率与系统效率整体指标达到最优，同时，通过增加中继线圈匝数N_r可进一步提升系统的整体性能，N_r的取值仅需考虑约束条件①和②是否同时达到，如果当电源电压不足以达到接收功率的要求或者受到电磁干扰、传输介质以及电磁偏移等外界因素影响，而使得此时的最优化参数还不能同时满足条件①和②，则可通过增加N_r的值进一步提升最优化参数，直到最优化参数同时满足条件①和②为止。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)、定义中距离无线电能传输系统的传输距离1.0m≤d≤3m，定义中距离无线电能传输系统中的发射线圈、中继线圈和接收线圈为半径相同的空间螺旋线圈，发射线圈与接收线圈的匝数相同；

负载功率表达式：

{P_{o}}^{'} = (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot {U_{s}}^{2} \cdot Γ_{1} \cdot \frac{1}{[\frac{{(r_{1} + r_{s})}^{2} (r_{r} + Γ_{1})}{Γ_{2}} + Γ_{2} (r_{r} + Γ_{1}) + 2 (r_{1} + r_{s}) (r_{r} + Γ_{1})]},

整体效率表达式：

η^{'} = (1 - \frac{r_{2}}{r_{2} + R_{L}}) \cdot (1 - \frac{1}{κ + 1}) \cdot \frac{Γ_{1} Γ_{2}}{(r_{r} + Γ_{1}) (r_{1} + r_{s} + Γ_{2})},

步骤3)、确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：

步骤4)、建立功效一体的优化目标函数：

f(d_1r,N_r)＝P_o'·η'；

求取目标函数同时满足约束条件①和②的最大值：Max{f(d_1r,N_r)}，并对函数做优化求解，得出中继线圈的最优化参数：

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial d_{1 r}} \approx \frac{d}{2},

\frac{\partial f (d_{1 r}, N_{r})}{\partial N_{r}} = M a x {N_{r}} .

2.根据权利要求1所述的一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，其特征是：步骤4)中，最优化参数不能同时满足步骤3)中的条件①和②时，增加N_r的值直到最优化参数同时满足条件①和②。