CN107623388B - 无线电能传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线电能传输方法及系统，所述方法包括：S11，对于发射装置产生的交变磁场，根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向，所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度；S12，调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现电能传输。本发明提供的无线电能传输方法可对接收装置所在方位进行自动追踪，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

Description

无线电能传输方法及系统

技术领域

本发明涉及电能输送领域，更具体地，涉及无线电能传输方法及系统。

背景技术

目前，环境和能源问题日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，无线电能传输系统在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。

无线电能传输系统按原理主要可分为：电磁感应、电磁辐射、电磁共振、激光、无线电波和磁耦合谐振等几类。其中，磁耦合谐振技术是一个全新的技术领域，基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统已成为电能输送领域的前沿课题。利用磁耦合谐振原理，通过两个具有相同谐振频率的线圈产生高频交变耦合磁场，实现电能在一定距离范围内传输。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中程距离电能传输，具有通用性强、安全性高等优点。

二维磁耦合谐振无线电能传输系统可分为主动型二维无线电能传输系统和被动型二维无线电能传输系统，其中主动型二维无线电能传输系统采用二维发射装置，即有两个发射线圈，其不能主动的改变空间电磁场的分布；被动型二维无线电能传输系统采用二维接收装置，即有两个接收线圈，其可以主动的改变空间电磁场的分布。主动型二维无线电能传输系统的电能传输方法是通过磁场的谐振耦合进行能量的传输，两个相互垂直的、谐振频率相同的发射线圈与接收线圈之间会产生较强的磁场耦合，这样发射线圈与接收线圈就可以通过磁场耦合不断的交换能量，从而达到能量高效率的无线传输。

现有技术中，进行无线电能传输的一种方法是通过发射装置与接收装置之间进行通信连接，以确定接收装置相对于发射装置的方位角，根据接收装置的方位角确定发射装置产生的磁场方向，从而进行无线电能传输。这种方法由于需要发射装置和接收装置之间建立通信连接，才能确定接收装置相对于发射装置的方位角。在通信困难的环境下，无法建立通信链接，从而不能确定方位角，进而不能有效实现无线电能传输，具有一定的局限性。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了无线电能传输方法及系统。

一方面，本发明提供了一种无线电能传输方法，包括：

S11，对于发射装置产生的交变磁场，根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向，所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度；

S12，调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输。

优选地，所述发射装置包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第一谐振电容和第二谐振电容；

所述第一发射线圈的中心与所述第二发射线圈的中心重合，所述第一发射线圈的所处平面与所述第二发射线圈的所处平面垂直；

所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接。

优选地，所述目标磁场方向与所述第一发射线圈所在的平面之间的夹角为方位角θ，所述θ基于如下公式计算：

P_input＝I²[R+Ksin²(θ+γ)]；

其中，P_input为在方位角θ上的输入功率，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，R为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的电阻值，K为互感参数，γ为互感角度。

优选地，所述S11中根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向具体包括：根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，利用梯度下降法确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向。

优选地，所述利用梯度下降法确定最大输入功率对应的磁场方向具体包括：确定所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率的损失函数；基于所述损失函数的最小取值，确定所述最大输入功率对应的目标磁场方向。

优选地，所述损失函数通过如下公式表示：

J(θ)＝-I²[R+Ksin²(θ+γ)]；

其中，J(θ)为所述损失函数，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，R为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的电阻，K为互感参数，θ为交变磁场的磁场方向与所述第一发射线圈所在平面的夹角，γ为互感角度。

另一方面，本发明提供了一种无线电能传输系统，包括：控制装置、发射装置、接收装置和数据采集装置。其中，

所述发射装置，用于产生交变磁场；

所述控制装置具体包括确定模块和调整模块；所述确定模块用于根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向；所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与所述接收装置之间的磁场耦合强度；所述调整模块用于调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输。

优选地，所述发射装置包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第一谐振电容和第二谐振电容；所述第一发射线圈的中心与所述第二发射线圈的中心重合，所述第一发射线圈的所处平面与所述第二发射线圈的所处平面垂直；所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接。

优选地，所述无线电能传输系统还包括：AC/AC电能变换器；

所述AC/AC电能变换器用于将工频交流电转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述AC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。

优选地，无线电能传输系统还包括：AC/DC电能变换器和DC/AC电能变换器；

所述AC/DC电能变换器用于将工频交流电转换为直流电压；

所述DC/AC电能变换器用于将所述直流电压转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块；

所述控制模块用于控制所述AC/DC电能变换器和所述DC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。

本发明提供的无线电能传输方法及系统，通过发射装置与接收装置之间的互感耦合产生的最大输入功率对应的磁场方向实现对接收装置所在方位的自动追踪，在确定接收装置的方位后，通过改变发射装置内的电流幅值和电流相位角，使发射装置实际产生的交变磁场的磁场方向与目标磁场方向重合，以实现电能传输。本发明提供的无线电能传输方法可对接收装置所在方位进行自动追踪，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无线电能传输方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无线电能传输系统的结构示意图；

图3为图2中发射装置的具体结构示意图；

图4为图2中发射装置与接收装置的相对位置关系平面示意图；

图5为图2中发射装置与接收装置的等效电路图；

图6为图4中发射装置产生的磁场方向与接收装置的方位角之间的关系示意图；

图7为本发明实施例提供的无线电能传输系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的参数识别法确定接收装置的方位角的仿真波形示意图；

图9为图8中确定接收装置的方位角为θ_m时的仿真波形示意图；

图10为本发明实施例提供的梯度下降法确定接收装置的方位角的仿真波形示意图；

图11为图10中确定接收装置的方位角为θ_m时的仿真波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明一实施例中提供了一种无线电能传输方法，其特征在于，包括：

S11，对于发射装置产生的交变磁场，根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向，所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度；

S12，调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输。

具体地，发射装置产生交变磁场，与需要电能传输的接收装置之间产生互感耦合，当发射装置中的电流发生变化时，在接收装置中产生感应电动势，为接收装置接有的负载进行充电。但是由于接收装置相对于发射装置的位置不同，会导致发射装置与接收装置互感耦合产生的输入功率不同，进而使接收装置接收到的功率不同。为实现对不同位置的接收装置均能进行最大输入功率的电能传输，本发明不需要在发射装置和接收装置之间进行通信连接，而是通过确定互感耦合产生的最大输入功率对应的目标磁场方向来确定接收装置的方位角，并通过改变发射装置内的电流幅值和电流相位角，使发射装置实际产生的交变磁场的磁场方向与目标磁场方向重合，以实现电能传输。

输入功率的决定因素很多，例如包括发射装置的自身功率耗损和输出功率，这里的输入功率是指包括发射装置和接收装置在内的无线电能传输系统的输入功率，输出功率是指此无线电能传输系统可以为负载提供的功率，以及接收装置的自身功率损耗。在发射装置内输入交变电流会在发射装置周围形成交变磁场，产生磁通线。发射装置产生的磁通线穿过接收装置即在发射装置和接收装置之间形成互感耦合，穿过接收装置的磁通线越多，发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度越强。通常磁场耦合强度通过耦合系数表示，耦合系数越大，表示磁场耦合强度越强。

在发射装置、接收装置的功率损耗一定时，输出功率由发射装置和接收装置的耦合系数决定，耦合系数越大，磁场耦合强度越强，输出功率越大，输入功率越大。所以在在发射装置、接收装置的功率损耗一定时，所述发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度越大，输入功率越大。与此同时，发射装置与接收装置之间的互感也就越大。

由于发射装置与接收装置之间进行互感耦合，当互感耦合产生的输入功率最大时，即说明接收装置在目标磁场方向上，也就是说，此时接收装置的方位角为目标磁场方向的方位角。这里的目标磁场方向是指最大输入功率对应的发射装置产生的交变磁场的目标磁场方向。利用互感耦合产生的最大输入功率对应的磁场方向实现对接收装置所在方位的自动追踪。

本实施例提供的这种无线电能传输方法不限于无线电能传输系统的维数，既可适用于二维无线电能传输系统，还可适用于三维无线电能传输系统，本实施例中对此不作具体限定。

本实施例中，通过发射装置与接收装置之间的互感耦合产生的最大输入功率对应的磁场方向实现对接收装置所在方位的自动追踪，在确定接收装置的方位后，通过改变发射装置内的电流幅值和电流相位角，使发射装置实际产生的交变磁场的磁场方向与目标磁场方向重合，以实现电能传输。本实施例提供的无线电能传输方法可对接收装置所在方位进行自动追踪，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。

如图2所示，在上述实施例的基础上，所述发射装置包括：第一发射线圈21、第二发射线圈23、第一谐振电容22和第二谐振电容24；

所述第一发射线圈21的中心与所述第二发射线圈23的中心重合，所述第一发射线圈21的所处平面与所述第二发射线圈23的所处平面垂直；所述第一发射线圈21与所述第一谐振电容22连接，所述第二发射线圈23与所述第二谐振电容24连接。

在第一发射线圈21上还连接有交流电源，交流电源产生高频电压，将高频电压作为第一发射线圈21的驱动电压。在第二发射线圈22上也连接有交流电源，交流电源产生高频电压，将高频电压作为第二发射线圈22的驱动电压。正交的两个发射线圈会尽可能地减小彼此之间的互感，保证发射线圈与接收线圈的互感耦合不受干扰并保证电能稳定的传输。

作为优选方案，第一发射线圈21和第二发射线圈22还可以分别由两个相互独立的交流电流源I_A和I_B激励产生交变磁场，并通过控制电流幅值和电流相位角形成定向的交变磁场。

与发射装置产生互感耦合的接收装置中包括接收线圈25和第三谐振电容26，接收线圈25与第三谐振电容26连接，同时，接收线圈25与负载27连接，用于对负载进行供电。

具体地，本实施例中的“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，本发明提供的方法不限于在二维无线电能传输系统中使用，还可以在三维无线电能传输系统中使用，即发射装置中包括三个中心重合、且所在平面相互垂直的发射线圈。以下以发射装置中仅包含两个发射线圈为例。

在上述实施例的基础上，所述目标磁场方向与所述第一发射线圈所在的平面之间的夹角为方位角θ，所述θ基于如下公式计算：

P_input＝I²[R+Ksin²(θ+γ)]；

其中，P_input为在方位角θ上的输入功率，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，I是一个关于时间t的正弦函数，I的取值决定磁感应强度B的大小，同时受限于两个发射线圈的耐受能力，通常I的取值可根据需要进行设定。R为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的电阻值，K为互感参数，γ为互感角度。

具体地，图3展示了二维无线电能传输中发射装置的详细结构。第一发射线圈21和第二发射线圈22均为矩形线圈，第一发射线圈21位于XOZ平面，第二发射线圈22位于YOZ平面，两个发射线圈的中心均在原点O。其中，第一发射线圈21的四个顶点的坐标分别为：T₁₁(a,0,c)、T₁₂(a,0,-c)、T₁₃(-a,0,-c)和T₁₄(-a,0,c)，第二发射线圈22的四个顶点的坐标分别为：T₂₁(0,b,c)、T₂₂(0,b,-c)、T₂₃(0,-b,-c)和T₂₄(0,-b,c)。

假设第一发射线圈21的四个边上分别有A、B、C、D四个点，第二发射线圈22的四个边上分别有E、F、G、H四个点。第一发射线圈21上任一点P₁的坐标为p₁(x₁,y₁,z₁)，第二发射线圈22上任一点P₂的坐标为p₂(x₂,y₂,z₂)。对于空间的任意一点P，坐标设为p(x,y,z)。每个发射线圈轮廓上的方向可以用向量的形式表示为：

其中，e_z分别为x、y和z方向上的单位方向向量，表示点A所在的边的方向向量，表示点B所在的边的方向向量，表示点C所在的边的方向向量，表示点D所在的边的方向向量，表示点E所在的边的方向向量，表示点F所在的边的方向向量，表示点G所在的边的方向向量，表示点H所在的边的方向向量。

从点P₁到点P的单位方向向量以及从点P₂到点P的单位方向向量分别为：

假设第一发射线圈21和第二发射线圈22中的电流分别为I_Acos(ωt+θ_A)和i_Bcos(ωt+θ_B),基于毕奥萨伐尔定律可得，第一发射线圈21和第二发射线圈22在P点产生的磁通密度可以通过以下公式计算得出：

其中，N为第一发射线圈和第二发射线圈的匝数，ω为两个发射线圈中电流的角频率，I_A，I_B分别为第一发射线圈和第二发射线圈中的电流幅值，即电流的大小，θ_A，θ_B分别为第一发射线圈和第二发射线圈中的电流相位角，μ₀为真空磁导率，真空磁导率取值为4π×10^-7N·A^-2。为第一发射线圈在P点产生的磁通密度，为第二发射线圈在P点产生的磁通密度。

通过以上公式可知，在点P所形成的磁感应强度是由第一发射线圈21和第二发射线圈22分别产生的磁感应强度叠加而成。具体地，在P点所形成的磁感应强度通过如下公式计算得到：

其中，B_m|n为发射线圈轮廓n在m坐标方向上感应出来的磁感应强度，中的B_x、B_y B_z分别为两个发射线圈在P点产生的总磁感应强度在x、y、z坐标方向上的分量，中的B_x、B_y B_z分别为第一发射线圈21在P点产生的磁感应强度在x、y、z坐标方向上的分量，中的B_x、B_z分别为第二发射线圈22在P点产生的磁感应强度在x、y、z坐标方向上的分量。

本实施例中仅考虑在二维空间内完成接收线圈的方位追踪功能，所以z＝0，XOY平面上的磁感应强度。图4显示了在XOY平面上，两个发射线圈和接收线圈的几何关系，图中接收线圈可以放在包括两个发射线圈的发射装置的四周，并且接收线圈的中心需要对准两个发射线圈的中心。在XOY坐标系上，以两个发射线圈的中心为XOY坐标系中的原点，原点在接收线圈25的中心轴上，原点到接收线圈中心的距离为d，接收线圈25的中心轴在二维平面上所成的物理角度与x轴的夹角为方位角θ₀，其中0≤θ₀≤2π。

为计算方便，假设每一个发射线圈和接收线圈都是正方形线圈，接收线圈25的边长远小于两个发射线圈的边长，第一发射线圈的边长为a，第二发射线圈的边长为b，接收线圈的边长为c，则有c＜＜a＝b＝l。当接收线圈25所占的位置很小，对应的两个发射线圈产生的磁感应强度B可视为恒定值，磁通线都是沿着笔直的路径向外发射，并且不会偏移中心直线。

当第一发射线圈内的电流为I_A、相位角为θ_A，第二发射线圈内的电流幅值为I_B、相位角为θ_B时，由两个发射线圈中的电流激励合成的磁感应强度B的物理方向与x轴的夹角为方位角θ，其中0≤θ≤2π。令θ_A＝0,θ_B-θ_A＝Δθ，则两个发射线圈上每个微元在点O(0,0,0)的磁感应强度为：

其中，B_xo和B_yo分别为两个发射线圈的任一微元在O点的磁感应强度在x轴和y轴的分量。空间任意点P(P点坐标为p(x，y，0))上由第一发射线圈和第二发射线圈感应产生的磁感应强度如下所示：

其中，B_x和B_y分别为两个发射线圈在P点的磁感应强度在x轴和y轴的分量。

当磁场方向在二维平面上的物理角度为θ时，第一发射线圈和第二发射线圈中的激励电流存在以下关系：

从上式可知，通过调节第一发射线圈和第二发射线圈中的电流幅值及其相位角，即可控制磁场方向在二维空间上的方位角θ。上式可进一步表示为：

如图5为发射装置与接收装置之间互感的等效电路图，图中第一发射线圈可等效为一个电感值为L_A和电阻值R_A，其中R_A的电阻值和第一发射线圈的电阻值相同，与L_A串联连接有第一谐振电容C_A，在第一发射线圈中接入交流电源U_A，当U_A使电路内的电流幅值和电流相位角发生变化时，会产生一个感应电动势U_A1。同理，第二发射线圈可等效为一个电感L_B和电阻R_B，其中R_B的电阻值和第二发射线圈的电阻值相同，与LB串联连接有第二谐振电容C_B，在第二发射线圈中接入交流电源U_B，当U_B使电路内的电流幅值和电流相位角发生变化时，会产生一个感应电动势U_B1。接收线圈可等效为一个电感L_C和电阻R_C，其中R_C的电阻值和接收线圈的电阻值相同，与L_C串联连接有第三谐振电容C_C。L_A与L_C互感，互感值为M_AC，产生互感电动势U_A2，L_B与L_C互感，互感值为M_BC，产生互感电动势U_B2。在接收线圈上接有待供电的负载，其电阻为R_L。

交流电源U_A和U_B可以是电压源，也可以是电流源，在此不做限定，只需使两个发射线圈内分别产生I_A和I_B的电流即可。

二维无线电能传输系统的等效电路方程可表示为：

其中，I_C为接收线圈中产生的电流。

设接收线圈的中心点P_C的坐标为p_c(x_c，y_c，0)，当接收线圈位置固定后，接收线圈与第一发射线圈、第二发射线圈的互感值为定值M_AC、M_BC，两个接收线圈中的电流I_A、I_B可表示为：

其中，I是一个关于时间t的正弦函数，I的取值决定磁感应强度B的大小，同时受限于两个发射线圈的耐受能力，通常I的取值可根据需要进行设定。

二维无线电能传输系统的等效电路方程可进一步表示为：

可得jωM_ACIsinθ+jωM_BCIcosθ＝(R_C+jX_C+R_L)I_C。

则接收线圈中的电流为：或者

I_C的幅值大小为：

进一步计算可得负载功率的计算公式如下：

输出功率，即接收线圈自身消耗的功率和负载消耗的功率的计算公式如下：

输入功率的计算公式可表示为两个发射线圈和接收线圈的功率耗损与负载功率之和：

P_input＝P_lossA+P_lossE+P_lossc+P_load，

其中，P_input为输入功率，为第一发射线圈自身的损耗，为第二发射线圈自身的损耗，为接收线圈自身的损耗。

进一步得到输入功率的计算公式为：

当第一发射线圈与第二发射线圈的电阻值相等时，即R_A＝R_B＝R时，输入功率的计算公式可简化为：

如图6所示，选取合适的方位角θ即可以使输入功率达到最大，进而使输出功率达到最大，达到最大功率传输。即只要找到最优的方位角θ_m，接收线圈就能达到最大输出功率。最优的方位角θ_m并不一定等于接收线圈在二维平面上所处的方位角，但将两个发射线圈产生的交变磁场的磁场方向设置在此方向上，使接收线圈产生最大的输出功率，所以可以允许定位到的接收线圈存在一定的偏差。

假设两个发射线圈和接收线圈的位置都是理想线圈，则X_A、X_B和X_C的值均为零，则有P_input＝I²[R+Ksin²(θ+γ)]，为互感参数，为互感角度。

通过调整方位角θ的大小，使输入功率P_input取最大值，对应的磁场方向为目标磁场方向，从而实现发射装置和接收装置之间的最大功率传输。

在上述实施例的基础上，有两种方法确定最大输入功率对应的磁场方向，一种为参数识别法，一种为梯度下降法。本实施例中主要利用参数识别法确定磁场方向。

具体地，要确定输入功率的最大值，在输入功率的计算公式中，需要求解出未知的互感参数K和互感角度γ，则至少需要两个非线性方程。随机给定N个不同的方位角θ₁，θ₂，...，θ_N，其中N≥2。测量对应于每个不同方位角时的N个不同的输入功率P_input1，P_input2，...，P_inputN。利用如下方程组即可求解出未知的互感参数K和互感角度γ。

对于N个不同的方位角，对应着N个不同的输入功率，任意两个方程之间均能解出一组K和γ，因此，共可以解出组K和γ。将计算出的所有K值取平均数得到K’，将计算出的所有γ值取平均数得到γ’。

若要输入功率最大，则需或得到对应于最大输入功率的方位角为或此时，可确定接收装置在方位角θ_m上，即θ_m＝θ₀，只需调整第一发射线圈内的电流幅值和电流相位角，以及第二发射线圈内的电流幅值和电流相位角，即可实现从发射装置到接收装置的最大功率传输。

在上述实施例的基础上，所述S11中根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向具体包括：根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，利用梯度下降法确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向。

具体地，本实施例中利用另一种确定最大输入功率对应的磁场方向的方法，即利用梯度下降法来确定。

梯度下降法是指：用负梯度方向为搜索方向，越接近目标值，步长越小，前进越慢。利用梯度下降法确定最大输入功率对应的磁场方向具体包括：确定所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率的损失函数；基于所述损失函数的最小取值，确定所述最大输入功率对应的目标磁场方向。

具体地，所述损失函数通过如下公式表示：

J(θ)＝-I²[R+K sin²(θ+γ)]，

其中，J(θ)为所述损失函数，方位角θ为交变磁场的磁场方向与所述第一发射线圈所在平面的夹角，代表着磁场方向，γ为互感角度。

对损失函数进行求导，得到：

设在进行梯度下降法的运算过程中，选取的步长为α，则有：

其中，步长α为人为定义的一个常数，其数量级大小与循迹方位角θ的效果相关。

首先要证明梯度下降法会驱使方位角θ最终收敛于与最大输入功率相对应的方位角θ_m。

引入一个Lyapunov(李雅普诺夫)函数V(x)，且有：

只有在θ＝θ_m时，V(x)＝0，如果θ≠θ_m，则V(x)＞0。

对函数V(x)进行求导，得到：

考虑限制条件或θ∈[θ_m-π，θ_m+π]可得：

当且仅当θ＝θ_m时，dV(x)/dt＝0，若θ≠θ_m，那么dV(x)/dt＜0。

所以验证了梯度下降法最终会使得θ收敛于θ_m。

通过以上的分析，梯度下降法可简化表示为如下的数学方程：

梯度下降法会导致损失函数取到最小值，与此同时θ_m可以取到最优值，最大输入功率和方位定向均可实现。与此同时步长α的值越大，此方法收敛的速度也就越快，但精度也会随之降低。

本实施例中，采用参数识别法和梯度下降法两种不同的方法确定最大输入功率对应的目标磁场方向，即确定方位角θ_m。采用这两种方法确定目标磁场方向，并自动追踪到接收线圈，不再需要发射装置和接收装置之间的通信连接，或在系统中增加一个角度测量设备来测量接收装置相对于发射装置的方位角，实现了无线电能传输的自动化。

如图7所示，本发明另一实施例中提供了一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：控制装置71、发射装置72、接收装置73和数据采集装置74；

所述发射装置72用于产生交变磁场；

所述控制装置71具体包括确定模块和调整模块；

所述确定模块用于根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向；所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与所述接收装置之间的磁场耦合强度；

所述调整模块用于调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输。

具体地，本实施例中各装置的作用和操作步骤与上述方法类实施例一一对应，在此不再赘述。

本实施例中，通过控制装置控制发射装置与接收装置之间的互感耦合产生的最大输入功率对应的磁场方向实现对接收装置所在方位的自动追踪，在确定模块确定了接收装置的方位后，调整模块通过改变发射装置内的电流幅值和电流相位角，使发射装置实际产生的交变磁场的磁场方向与目标磁场方向重合，以实现电能传输。本实施例提供的无线电能传输系统可对接收装置所在方位进行自动追踪，并且不需要在发射装置和接收装置之间建立通信连接，避免了通信困难的环境下，因无法建立通信连接而不能有效实现无线电能传输。本发明提供的系统不需要采用角度检测设备检测接收装置的方位，使整个无线电能传输系统更加精简和智能，节约无线电能传输系统的构建成本。

在上述实施例的基础上，所述发射装置包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第一谐振电容和第二谐振电容；所述第一发射线圈的中心与所述第二发射线圈的中心重合，所述第一发射线圈的所处平面与所述第二发射线圈的所处平面垂直；所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接。

在上述实施例的基础上，所述接收装置包括：接收线圈和第三谐振电容；所述接收线圈与所述第三谐振电容连接。

具体地，发射装置和接收装置的结构与上述方法类实施例一一对应，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，无线电能传输系统还包括：AC/AC电能变换器；

所述AC/AC电能变换器用于将工频交流电转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述AC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。

具体地，要使发射装置中的两个发射线圈之间产生交变磁场，需要高频电压进行驱动，这里所说高频电压的频率一般为20KHz。在只有220V、50Hz的工频交流电(也就是常说的市电、家庭用电等)的情况下，需要进行转换，将工频交流电转换为高频电压，一种方法是直接利用AC/AC电能变换器将工频交流电转换为20KHz的高频电压。由于有两个发射线圈，则需要两个独立的AC/AC电能变换器分别连接在两个发射线圈上。

在上述实施例的基础上，无线电能传输系统还包括：AC/DC电能变换器和DC/AC电能变换器；

所述AC/DC电能变换器用于将工频交流电转换为直流电压；

所述DC/AC电能变换器用于将所述直流电压转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块；

所述控制模块用于控制所述AC/DC电能变换器和所述DC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。

具体地，控制模块首先控制AC/DC电能变换器工作，将220V、50Hz的工频交流电转换为12V的直流电压，这种直流电压是稳定的、脉冲很小的直流电。这一步骤是为后续的DC/AC电能转换器提供输入电压。控制模块再控制DC/AC电能变换器工作，将12V的直流电压转换为20KHz的高频电压。这种间接转换的方式获得的高频电压畸变率更小，高频电压的波形更接近于正弦波形，这样通过互感耦合使接收装置得到的电压的波形也更接近于正弦波形，使电能传输的质量更高。

由于有两个发射线圈，则需要两个独立的AC/DC电能变换器分别将两路工频交流电转换为两路12V的直流电压，再将两个DC/AC电能变换器内的AC端分别连接在两个DC/AC电能转换器的DC端，最后将两个DC/AC电能转换器的AC端分别连接在两个发射线圈上，以使得得到的高频电压对两个发射线圈进行驱动。

在上述实施例的基础上，无线电能传输系统中的控制装置可以是浮点型数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)或现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGate Array，FPGA)，但不限于此。控制装置主要起确定作用、调整作用以及控制作用，并收集两个发射线圈内的电流幅值和电流相位角信息，对当前系统的工作状态进行计算，得出最优工作状态对应的各项参数，并控制其他装置使整个无线电能传输系统实现最大功率传输的功能。

接收装置接收无线电能并在负载上消耗能量，本实施例中采用的负载为纯阻性负载，能量消耗模式为电阻发热。

无线电能传输系统中还包括：数据采集模块，数据采集模块主要包含若干电流互感器和信号传输线，主要收集的信息有：两个发射线圈中的电流幅值、电流相位角、两个发射线圈分别与接收线圈之间产生的互感值、两个发射线圈中的电阻值，并将收集到的信息转化为数字信号传入控制模块。

整个系统的具体工作流程如下：

1)根据系统设定条件进行初始化；其中，这里说的设定条件可以是人为设定，主要包括设定第一发射线圈和第二发射线圈内的电流幅值和电流相位角，以及整个系统的工作条件。

2)根据设定的第一发射线圈和第二发射线圈内的电流幅值和电流相位角，控制模块分别计算出第一发射线圈和第二发射线圈所需的两路驱动电压的幅值大小和相位角，并根据两个独立的驱动电压幅值大小和相位角控制AC/DC电能变换器，或者控制AC/DC电能变换器和DC/AC电能变换器。

3)电能变换器将工频交流电转换为所需的驱动电压，并传送到对应的发射线圈上。

4)两个发射线圈得到驱动电压后，经过发射线圈和谐振电容组成的电路产生谐振，得到驱动电流，驱动电流在线圈中产生交变磁场，并与接收线圈耦合，以传输电能。

5)接收线圈接收电能后，在接收线圈所在的电路中产生谐振，为负载供能。

6)利用数据采集装置采集两个发射线圈中的电流幅值、电流相位角、两个发射线圈分别与接收线圈之间产生的互感值、两个发射线圈中的电阻值，并将得到的信息传入控制模块。

7)控制模块根据采集到的信息，计算出当前的交变磁场的方位角，并计算出输入功率的大小，根据梯度下降法计算出下一个磁场方向，并得出新的驱动电压，传递给电能变换器。

8)重复步骤2)-步骤7)的操作，直至得出输入功率最大时交变磁场的目标磁场方向，并改变两个发射线圈中的电流幅值和电流相位角，使产生的交变磁场的磁场方向与目标磁场方向重合，实现对接收线圈的自动追踪，并且实现最大功率传输。

其中，对于利用参数识别法确定输入功率最大时交变磁场的目标磁场方向时，可以直接通过重复执行预设次数的步骤2)-步骤6)，每次执行时，控制模块均可根据数据采集装置采集到的两个发射线圈中的电流幅值和电流相位角确定出磁场方向的方位角θ，并确定对应的输入功率值。根据预设次数的计算得到的数据，基于参数识别法即可确定输入功率最大时交变磁场的目标磁场方向。

以下以具体实例对参数识别法和梯度下降法确定目标磁场方向进行详细解释。

1)参数识别法

由上述解释可知，给定方位角θ的数量N越大，精度也就越大，追踪到接收线圈所花的时间也就越多。权衡时间和精度，在实施例中，N取值为4。四个方位角θ₁、θ₂、θ₃和θ₄分别取值为40°、70°、110°和160°。对应于第一发射线圈和第二发射线圈中的电流幅值和相位角如表1所示，其中负号表示发射线圈中的电流方向相反，即相位相差180°。

表1

角度	θ<sub>1</sub>＝40°	θ<sub>2</sub>＝70°	θ<sub>3</sub>＝110°	θ<sub>4</sub>＝160°
					I<sub>A</sub>	6.43A	9.40A	9.40A	3.42A
I<sub>B</sub>	7.66A	3.42A	-3.42A	-9.40A

本实施例中所用的负载为0.75Ω的电阻，两个发射线圈中心与接收线圈中心的距离d保持恒定的23cm。三个线圈所在的平面都垂直于XOY平面，且两个发射线圈所在平面垂直相交，接收线圈所在的平面垂直于两个发射线圈中心与接收线圈中心的连线。

本实施例中，将接收线圈的中心轴线与第一发射线圈(即x轴)在XOY平面上的夹角设置为θ₀＝45°，保持接收线圈位置固定不变，开始追踪过程。磁场方向的方位角从θ₁依次切换到θ₄，每经过一次切换，控制模块都会记录一个对应的输入功率值。遍历四个方位角后，控制装置即可计算出K’和γ’后，根据或者即可得出θ_m近似为45°，即最大功率传输时所对应的目标磁场方向近似为45°，由此证明本发明提出的方法是可行有效的。

图8为追踪过程中的波形图，图中波形从上至下分别是：第一发射线圈中的电流、第二发射线圈中的电流、接收线圈中的电流和接收线圈上的感应电压。图9为磁场方向为目标磁场方向θ_m时的波形图，图中波形从上至下分别是：第一发射线圈中的电流、第二发射线圈中的电流、接收线圈中的电流和接收线圈上的感应电压。从图9中也可得出I_A、I_B的幅值大小与相位角之间的关系，从中可验证θ_m基本在接收线圈的实际方位角θ₀＝45°附近，由此可证本发明提出的方法是可行有效的。

2)梯度下降法

与参数识别法不同的是，梯度下降法不需要人为设置方位角，只需要考虑步长α的数量级大小。第一发射线圈和第二发射线圈中的电流幅值和相位角由当前所需的磁场方向所决定。在本实施例中，步长α设置为0.005。

在本实施例中，将接收线圈的中心轴线与第一发射线圈(即x轴)在XOY平面上的夹角设置为θ₀＝45°，保持接收线圈位置固定不变，开始追踪过程。梯度下降法自动更新夹角并计算输入功率大小，直到角度逐渐逼近θ_m，在系统输入功率最大时达到稳态。然而梯度下降法得到的目标磁场方向并不会固定于θ_m不变，而是在θ_m上下波动，波动偏移值与步长α的大小有关。图10为追踪过程中的波形图，图中波形从上至下分别是：第一发射线圈中的电流、第二发射线圈中的电流、接收线圈中的电流和接收线圈上的感应电压。图11为磁场方向的方位角为θ_m时波形图，图中波形从上至下分别是：第一发射线圈中的电流、第二发射线圈中的电流、接收线圈中的电流和接收线圈上的感应电压。从图11中可得I_A、I_B的幅值大小与相位角之间的关系，从中可验证θ_m基本在接收线圈的实际方位角θ₀＝45°附近，由此可证本发明提出的方法是可行有效的。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (5)

1.一种无线电能传输方法，其特征在于，包括：

S11，对于发射装置产生的交变磁场，根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向，所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与接收装置之间的磁场耦合强度；

S12，调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输；

其中，所述发射装置包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第一谐振电容和第二谐振电容；

所述第一发射线圈的中心与所述第二发射线圈的中心重合，所述第一发射线圈的所处平面与所述第二发射线圈的所处平面垂直；

所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接；

所述目标磁场方向与所述第一发射线圈所在的平面之间的夹角为方位角θ，所述θ基于如下公式计算：

P_input＝I²[R+K sin²(θ+γ)]；

其中，P_input为在方位角θ上的输入功率，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，R为所述第一发射线圈的电阻值，所述第二发射线圈的电阻值与所述第一发射线圈的电阻值相等，K为互感参数，γ为互感角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S11中根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向具体包括：

根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，利用梯度下降法确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向；

其中，所述利用梯度下降法确定最大输入功率对应的磁场方向具体包括：

确定所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率的损失函数；

基于所述损失函数的最小取值，确定所述最大输入功率对应的目标磁场方向；

所述损失函数通过如下公式表示：

J(θ)＝-I²[R+K sin²(θ+γ)]；

其中，J(θ)为所述损失函数，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，R为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的电阻，K为互感参数，θ为交变磁场的磁场方向与所述第一发射线圈所在平面的夹角，γ为互感角度。

3.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括：控制装置、发射装置、接收装置和数据采集装置；

所述发射装置，用于产生交变磁场；

所述控制装置具体包括确定模块和调整模块；

所述确定模块用于根据所述交变磁场的任一磁场方向上的输入功率，确定所有输入功率中最大输入功率对应的目标磁场方向；所述输入功率的决定因素包括所述发射装置与所述接收装置之间的磁场耦合强度；

所述调整模块用于调整所述发射装置内的电流幅值和电流相位角，使所述发射装置产生的交变磁场的磁场方向与确定的最大输入功率对应的目标磁场方向重合，以实现所述发射装置与所述接收装置之间的电能传输；

其中，所述发射装置包括：第一发射线圈、第二发射线圈、第一谐振电容和第二谐振电容；

所述第一发射线圈的中心与所述第二发射线圈的中心重合，所述第一发射线圈的所处平面与所述第二发射线圈的所处平面垂直；

所述第一发射线圈与所述第一谐振电容连接，所述第二发射线圈与所述第二谐振电容连接；

所述目标磁场方向与所述第一发射线圈所在的平面之间的夹角为方位角θ，所述θ基于如下公式计算：

P_input＝I²[R+K sin²(θ+γ)]；

其中，P_input为在方位角θ上的输入功率，I_A为所述第一发射线圈内的电流幅值，I_B为所述第二发射线圈内的电流幅值，R为所述第一发射线圈的电阻值，所述第二发射线圈的电阻值与所述第一发射线圈的电阻值相等，K为互感参数，γ为互感角度。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：AC/AC电能变换器；

所述AC/AC电能变换器用于将工频交流电转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述AC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：AC/DC电能变换器和DC/AC电能变换器；

所述AC/DC电能变换器用于将工频交流电转换为直流电压；

所述DC/AC电能变换器用于将所述直流电压转换为高频电压；

相应地，所述控制装置还包括控制模块；

所述控制模块用于控制所述AC/DC电能变换器和所述DC/AC电能变换器的工作，并将所述高频电压作为所述第一发射线圈和所述第二发射线圈的驱动电压。