CN105391190A - 基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法，其中双源无线供电系统的无线能量传输装置包括两个大尺寸的发射线圈和一个小尺寸的接收线圈。根据给定的工作频率、线圈参数和负载大小，可以确定两个发射线圈之间的最优间距，根据负载功率大小可以进一步确定高频电源的电压。采用本寻优策略得到的双源无线供电系统，能够在固定工作频率下，为不同距离处的负载提供稳定的功率，解决了现有单源无线供电系统因距离改变而引起的功率波动问题，适用于移动设备供电领域。

Description

基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及一种双源无线供电系统间距寻优方法。

背景技术

无线电能传输技术的发展显著提高了能量供给的空间自由度，为去掉电子设备的最后一根电缆(即电源线)提供了可能。2007年，MIT研究小组提出了磁耦合谐振式WPT技术为中程无线电能传输技术的发展提供了一个新的解决思路，他们使用两个固有谐振频率相等的线圈来进行能量的传递，与传统电磁感应式WPT相比，可显著提高了谐振器的传输效率，有效降低了空间的电磁损耗，该技术的一经提出就迅速发展成为学术界和产业界共同关注的热点技术之一。

现阶段基于磁耦合谐振式的单源无线供电技术是该领域的主要研究对象，但单源系统的负载接收功率对距离的变化敏感，且近距离传输时功率分裂现象严重，存在功率波动较大等一系列问题。为了解决这一问题，不少学者也提出了诸如阻抗匹配、动态调频、跟踪控制等方法或技术手段，虽然在近距离传输时起到了很好的实际效果，但是无疑增加了系统的复杂性，目前单源无线供电系统在远距离传输时输出功率衰减较快仍是一个技术难点。为此双源或多源谐振式WPT系统被提出，该系统可以较好地抑制因距离改变而带来的功率波动问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法，实现在一定的空间内负载能够接收稳定的功率。

技术方案：基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法，所述双源无线供电系统的高频电源工作频率恒定，接收线圈与双源无线供电系统的两个发射线圈同轴设置并在两个发射线圈之间移动，所述间距寻优方法选取两个发射线圈的间距作为变量，选取负载在供电空间内接收功率的标准差最小作为优化目标，包括如下步骤：

步骤1)，提取双源无线供电系统的发射端参数以及接收端参数；

步骤2)，若两个发射线圈之间的距离为D，接收线圈与第一个发射线圈之间的距离为d₁，接收线圈与第二个发射线圈之间的距离为D-d₁，得到接收线圈的接收功率P关于参数D和d₁的函数；

步骤3)，根据所述接收功率P关于参数D和d₁的函数，得到接收线圈位于各个位置的接收功率的标准差函数，以标准差最小为优化目标，约束条件为：

约束条件1：两个发射线圈之间的距离为D小于等于发射线圈半径的4～6倍；

约束条件2：接收线圈的接收功率P波动小于等于平均接收功率的20％；

步骤4)，根据所述优化目标和约束条件，计算得到两个发射线圈之间的距离D的最优值。

有益效果：本发明的基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法，根据给定的系统工作频率、负载大小、收发线圈参数，基于功率波动标准差最小的间距寻优策略，计算出功率波动最小的发射线圈间距，从而实现在一定的空间内负载能够接收稳定的功率。

附图说明

图1为双源无线供电系统的结构示意图；

图2为此双源无线供电系统的具体实施电路；

图3为基于功率波动标准差最小的间距寻优算法流程图；

图4为不同发射线圈间距下输出功率与传输距离的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种双源无线供电系统间距寻优方法，双源无线供电系统如图1所示，包括两路发射端和一路接收端，发射端分别由谐振电容、高频电源以及发射线圈串联构成，两个发射线圈Tx1、Tx2的各参数均相同并同轴设置。接收端由接收线圈Rx1、谐振电容以及负载组成，接收线圈尺寸小于两个发射线圈并与发射线圈同轴设置，接收线圈的位置能够在两个发射线圈之间移动。两个发射端均能够通过磁耦合谐振为接收端无线传输电能，从而为接收端的负载供电。

双源无线供电系统的拓扑结构如图2所示，双源无线供电系统的高频电源工作频率f恒定，本实施例中电路模型的参数为：f＝480kHz，两个高频电源的内阻RS1、RS2均为50Ω，接收端负载为阻性负载R_L＝60Ω，两个发射线圈的参数为：线径0.001m，线圈半径r1＝0.15m，匝数N1＝26，接收线圈的参数为：线径0.001m，线圈半径r2＝0.037m，匝数N2＝44；

步骤1)，提取双源无线供电系统的发射端参数以及接收端参数，并给出图2所示双源无线供电系统的KVL方程：

$\left[\begin{array}{c}0\\ U_1\\ U_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{j\ωM}}_1& {\mathrm{j\ωM}}_2& -Z_3\\ Z_1& {\mathrm{j\ωM}}_{12}& -{\mathrm{j\ωM}}_1\\ {\mathrm{j\ωM}}_{12}& Z_2& -{\mathrm{j\ωM}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right]$

式中，U₁、U₂分别为两个高频电源的输出电压，U₁＝U₂＝U；ω为系统角频率，ω＝2πf；M₁为线圈Tx1和Rx1之间的互感，M₂为线圈Tx2和Rx1之间的互感，M₁₂为线圈Tx1和Tx2之间的互感，Z₁、Z₂、Z₃分别为两个发射端以及接收端的阻抗，I₁、I₂、I₃分别为发射端以及接收端的回路电流；其中，Z₁＝R_s1+R₁+1/jωC₁+jωL₁，Z₂＝R_s2+R₂+1/jωC₂+jωL₂，Z₃＝R₃+R_L+1/jωC₃+jωL₃；R₁、R₂、R₃分别为线圈Tx1、Tx2、Rx1的等效电阻，R₁＝R₂；C₁、C₂、C₃分别为线圈Tx1、Tx2、Rx1串联的谐振电容值C₁＝C₂；L₁、L₂、L₃分别为圈Tx1、Tx2、Rx1的等效电感，L₁＝L₂。

步骤2)，若发射线圈Tx1和Tx2之间的距离为D，接收线圈Rx1与发射线圈Tx1之间的距离为d₁，接收线圈Rx1与发射线圈Tx2之间的距离为D-d₁，得到接收线圈的接收功率P的表达式为：

$P={\left|\frac{{\mathrm{j\ωM}}_1{U}_1(B-C)/(B^2-AC)}{Z_3}+\frac{{\mathrm{j\ωM}}_2{U}_2(B-A)/(B^2-AC)}{Z_3}\right|}^2{R}_L$

其中，A＝Z₁+ω²M₁ ²/Z₃，C＝Z₂+ω²M₂ ²/Z₃，B＝ω²M₁M₂/Z₃+jωM₁₂。在工作频率f恒定时且其他参数不变时，M₁、M₂分别是关于距离d₁、d₂的函数，并且满足d₁+d₂＝D，输出功率P可以进一步表示为：P(D,d₁)，即负载接收功率随D和d₁而发生变化。

步骤3)，根据接收功率P关于参数D和d₁的函数，以两个发射线圈的间距作为变量，依据上述推导得到接收线圈在两个发射线圈之间移动时各个位置的接收功率的标准差函数，以标准差最小为优化目标，约束条件为：

约束条件1：当两个发射线圈相距较远时，系统会出现解耦的现象，必然无法实现能量的有效传输，为了确保两个发射线圈不会发生解耦，两个发射线圈之间的距离为D小于等于发射线圈半径的4～6倍；

约束条件2：双源无线供电系统还需要满足工作稳定性约束条件，为了保证接收端后级电路不受过大的冲击，系统输出功率的波动不能过大，限定接收线圈在各个位置的接收功率P波动小于等于平均接收功率的20％，具体表示为：

$|P(D,d_1)-\stackrel{\&OverBar;}{P}\left(D\right)|<0.2\stackrel{\&OverBar;}{P}\left(D\right)$

式中，P(D,d₁)为发射线圈间距为D时，接收线圈距一个发射线圈距离为d₁处的接收功率，为发射线圈间距为D时接收线圈处于各个位置上接收功率的平均值。

步骤4)，根据优化目标和约束条件，计算得到两个发射线圈之间的距离D的最优值，标准差越大则说明功率波动越大，反之说明功率波动越小，负载能够获得更加稳定的能量供给；结算过程如图3所示，具体为：

a)，初始化参数：D＝r1，接收功率标准差初始值s0＝0，初始化U₁＝30V，根据各线圈参数可以计算出电感值L₁＝370μH，L₃＝110μH，各线圈的匹配的谐振电容依据C＝1/(4π²f²L)计算得到C₁＝300pF，C₃＝1000pF；

b)，判断D是否小于n*r1，n根据实际在4～6之间选取；若D≤n*r1，则计算P(D,d₁)以及接收功率的标准差s；若D＞6n*r1，则不满足本方法的约束条件，输出两个发射线圈之间的距离值D并结束计算；

c)，若则跳转步骤d)，否则增加两个线圈之间的距离△D后返回执行步骤b)；

d)，若接收功率标准差s＜s0，则跳转步骤e)，否则增加两个线圈之间的距离△D后返回执行步骤b)；

e)，更新接收功率标准差初始值s0为s，并增加两个线圈之间的距离△D后返回执行步骤b)。

本例求得的最优间距D＝0.33m。图4所示的功率变化曲线可作进一步证明，D＝0.33m时接收功率曲线最为平缓。

步骤5)，设定负载的额定功率为10W，则可以计算得到实际供电电压即最终确定了两个发射线圈之间的最优间距以及根据功率要求确定了发射线圈连接高频电源电压大小，至此即设计了一套完整的双源无线供电系统。

以上的分析结果表明，本发明提出的基于功率波动标准差最小的发射线圈间距寻优方法能够优化双源无线供电系统，使得在固定工作频率、不同传输距离下负载接收功率能够保持稳定，并且降低了控制难度，非常适用于移动设备的供电。

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)

1.基于功率波动标准差最小的双源无线供电系统间距寻优方法，其特征在于：所述双源无线供电系统的高频电源工作频率恒定，接收线圈与双源无线供电系统的两个发射线圈同轴设置并在两个发射线圈之间移动，所述间距寻优方法选取两个发射线圈的间距作为变量，选取负载在供电空间内接收功率的标准差最小作为优化目标，包括如下步骤：

步骤1)，提取双源无线供电系统的发射端参数以及接收端参数；

步骤2)，若两个发射线圈之间的距离为D，接收线圈与第一个发射线圈之间的距离为d₁，接收线圈与第二个发射线圈之间的距离为D-d₁，得到接收线圈的接收功率P关于参数D和d₁的函数；

步骤3)，根据所述接收功率P关于参数D和d₁的函数，得到接收线圈位于各个位置的接收功率的标准差函数，以标准差最小为优化目标，约束条件为：

约束条件1：两个发射线圈之间的距离为D小于等于发射线圈半径的4～6倍；

约束条件2：接收线圈的接收功率P波动小于等于平均接收功率的20％；

步骤4)，根据所述优化目标和约束条件，计算得到两个发射线圈之间的距离D的最优值。