CN108879986B - 单中继无线电能传输系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构；S2：确定三个线圈的自感及线圈内阻；S3：确定工作频率，互感参数及负载阻值；S4：确定发射线圈补偿电容的容值；S5：确定品质因数及耦合系数；S6：定义各个回路失谐因子；S7：计算判别式D；S8：根据判别式确定最佳失谐因子；S9：根据最佳失谐因子，确定中继线圈补偿电容和接收线圈补偿电容的容值；S10：验证系统所有参数可行性。其效果是：本发明提出的单中继无线电能传输系统参数设计方法，适用于任意频率系统且极大地提升了系统的方位鲁棒性，能够有效指导系统设计。

Description

单中继无线电能传输系统参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输领域，具体涉及一种单中继无线电能传输系统参数设计方法。

背景技术

磁耦合无线电能传输(MC-WPT)技术实现了电能从电源侧到用电设备端的无电气连接传输，彻底摆脱了导线的束缚，具有广大的市场前景和科学研究价值，目前已广泛应用于家用电器、生物医学、电动汽车等领域。按照系统结构分类，MC-WPT系统可以分为两线圈结构、三线圈结构、四线圈结构和多线圈(多米诺)结构。三线圈结构也称为单中继系统，由于其能同时兼顾传输效率和传输距离而成为该领域的研究热点。

自2007年美国麻省理工学院(MIT)基于“共振耦合”原理提出了一种称之为“谐振式磁耦合无线电能传输”技术，实现了2米范围内60瓦的能量传输以来，几乎所有的MC-WPT系统都是基于“共振耦合”原理，将系统中各电路固有频率设置为一致，并通过整定电源频率使得各个电路回路处于谐振状态，以此实现系统共振以获得最大效率传输。但众所周知，该传能模式存在一个最佳传能点，一旦接收端偏离最佳传能位置，系统的效率将会急剧下降，这就是常说的频率分裂现象。

针对该现象，现有的解决方法主要有：最大能效频率跟踪、增加阻抗匹配网络或者调节系统耦合强度。最大能效能效频率跟踪就是通过增加检测、控制电路，运用相应的控制算法使得电源频率跟踪最大能效点的频率。增加阻抗匹配网络的实质就是调节系统的参数使得系统不存在频率分裂现象。调节系统耦合强度一般是机械调节接收端的位置或者方位，以此调节系统耦合强度使得系统不存在频率分裂现象。

效率跟踪就是通过增加相应的检测、控制电路，运用一些跟踪控制算法使得系统电源频率跟踪系统最大效率点的频率，因此该方法下的系统需要始终工作在变化的最优频率点，因而该方法不适用于存在一定频带范围的系统。增加阻抗匹配网络和调节系统耦合强度的实质都是通过改变系统内部参数使得系统退出过耦合区域而不存在频率分裂现象。而目前缺乏一套完整理论设计准则，能够快速准确得到MC-WPT系统各参数的临界耦合值。同时，改变系统内在参数使得系统退出过耦合区域，可能会降低系统的最大传输效率。并且，增加阻抗匹配网络会相应地增加系统的阶数，因而系统控制的复杂度也会相应的增加。调节系统耦合强度一般通过机械调节谐振器的相对位置实现，因此不适用于谐振器位置相对固定或者需要不断移动的系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，在工作频率恒定的情况下，能够实现一定传输距离和传输方位内实现最大效率传输，极大地提升了系统的鲁棒性，增强了终端的自由度。同时，本发明推导得到了一个全面的临界耦合判别式，能够快速准确得到系统各参数的临界值，能够有效指导系统设计。

为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，其关键在于，该方法包括以下步骤：

S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构，包括直流电源、高频逆变电路、发射线圈补偿电容、发射线圈、中继线圈、中继线圈补偿电容、接收线圈、接收线圈补偿电容、整流滤波电路及负载；

S2：根据线圈结构，确定三个线圈的自感L₁，L₂，L₃以及对应的线圈内阻R_p1，R_p2，R_p3；

S3：根据实际应用场合，确定高频逆变器的工作频率f，相邻两个线圈之间的互感参数M₁₂，M₂₃以及负载阻值R_L；

S4：根据

确定发射线圈补偿电容的容值C₁；

S5：确定每个回路的品质因数以及各回路之间的耦合系数，其中：

ω＝2πf为电源角频率；

S6：定义各个回路的失谐因子

S7：计算判别式

S8：根据判别式确定各个回路的最佳失谐因子；

如果D≥0，中继回路和接收回路的最佳失谐因子为：λ_2,opt＝λ_3,opt＝0；

如果D<0，中继回路的最佳失谐因子为

接收回路的最佳失谐因子为λ_3,opt＝c，其中

S9：根据各个回路的最佳失谐因子，按照

确定中继线圈补偿电容和接收线圈补偿电容的容值；

S10：验证系统所有参数可行性。

可选地，按照约束条件

限定负载位置变化。

可选地，按照

确定系统的传输效率η。

本发明的显著效果是：

1、传统的传能模式，传输效率会随终端偏离最佳位置而急剧下降，即系统只能在特定位置保持有效能量传输，本发明提出的单中继无线电能传输系统参数设计方法，在一定传输距离或者传输方位内，系统的传输效率都基本保持恒定，且稳定在传统传能模式的最大传输效率上，极大地提升了系统的鲁棒性。

2、工作频率不变，适用于任意频带的系统。相较于传统的频率跟踪方法，本发明提出的单中继无线电能传输系统的参数设计方法所对应的工作频率是恒定的，适用于任意频率系统，增强了终端的自由度。

3、推导得到了一个全面的临界耦合表达式，能够快速准确得到各个系统参数的临界耦合值，因而能够有效指导系统设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为单中继无线电能传输系统等效电路图；

图2为本发明具体实施例中单中继无线电能传输系统的电路原理图；

图3为传统传能模式和应用本发明方法的系统的传输效率随耦合系数的变化曲线图。

图4为具体实施例中的对比实验效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例采用如图1所示的单中继无线电能传输系统，包括直流电源V₁，开关管S₁～S₄构成的高频逆变器，发射线圈补偿电容C₁、发射线圈L₁、中继线圈L₂、中继线圈补偿电容C₂、接收线圈L₃、接收线圈补偿电容C₃以及等效负载R_L，电路元器件连接方式如图2所示。

对其进行参数设定时，按照以下步骤进行：

S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构，按图1所示的拓扑结构，发射端、中继端以及接收端均采用串联谐振回路；

S2：根据线圈结构，确定三个线圈的自感L₁，L₂，L₃以及对应的线圈内阻R_p1，R_p2，R_p3；

S3：根据实际应用场合，确定高频逆变器的工作频率f，相邻两个线圈之间的互感参数M₁₂，M₂₃以及负载阻值R_L；

S4：根据

确定发射线圈补偿电容的容值C₁；

S5：确定每个回路的品质因数以及各回路之间的耦合系数，其中：

ω＝2πf为电源角频率；

S6：定义各个回路的失谐因子

S7：计算判别式

S8：根据判别式确定各个回路的最佳失谐因子；

如果D≥0，中继回路和接收回路的最佳失谐因子为：λ_2,opt＝λ_3,opt＝0；

如果D<0，中继回路的最佳失谐因子为

接收回路的最佳失谐因子为λ_3,opt＝c，其中

S9：根据各个回路的最佳失谐因子，按照

确定中继线圈补偿电容和接收线圈补偿电容的容值；

S10：验证系统所有参数可行性。

由基于基尔霍夫电压定律可得，可将图1所示的等效电路图转换陈数学模型，表达如下：

其中R₁＝R_p1,R₂＝R_p2,R₃＝R_p3+R_L,X_i＝ωL_i-1/(ωC_i)是第i个振荡回路的电抗，ω是系统工作角频率。第i个振荡电路的固有角频率(ω_i)和固有频率(f_i)分别表示为：

由此可知，振荡电路的固有角频率是由该回路的自感以及补偿电容决定的。基于公式(1)，系统的传输效率可表达为：

在传统的无线电能传输系统中，为了获得最大传输效率，都会通过匹配各个回路的补偿电容使得各振荡回路的固有频率等于系统的工作频率，以此实现系统“共振”而获得最大传输功率。即在传统的无线传能模式中，系统中各回路的固有频率ω_i都等于系统中的电源频率，也就是各个回路的电抗X_i都等于0。将其代入到式(3)中，可得传统模式MC-WPT系统的传输效率表达式为：

其中Q_i以及k_ij分别表示第i个回路的品质因数以及第i个线圈和第j个线圈间的耦合系数，如式(5)所示。

式(4)所示的传输效率存在唯一的一个极大值点k₂₃＝k_23,opt，如式(6)所示。其对应的最大传输效率如式(7)所示。

式(6)和式(7)表明传统的传能模式只在特定的位置(k_23,opt)传输效率最大，一旦终端偏离最佳位置(k_23,opt)，系统的效率就会急剧下降。

本发明通过定义各振荡电路的失谐因子λ_i为：

于是式(3)所示传输效率可表达为：

其中

通过深入分析电路失谐因子λ₂和λ₃的传输效率特性，可得系统存在一个如式(11)所示的判别式D：

当判别式D大于0时，传输效率有且仅有一个最大功率点λ₂＝λ₃＝0。该分析结果表明系统不存在频率分裂现象，各振荡电路的失谐因子为0时，系统的传输效率最大。由此可得：

其中λ_i,opt和ω_i,opt为获得最大效率的最优电路失谐因子及电路固有角频率。

然而，当判别式D小于0时，λ₂＝λ₃＝0为传输效率的极小值点，此时系统存在两个极大值点，如式(13)所示。

该现象表明系统处于频率分裂状态，D＝0则为临界耦合表达式。由于判别式D中包含系统所有内在参数，因而运用D＝0，能够快速准确得到系统各个参数的临界值，因此能够有效指导系统设计。例如，运用D＝0，可快速得到耦合系数k₂₃的临界耦合值

和通过对传统传能模式的传输效率求极值得到的如式(6)所示的k₂₃的临界耦合值完全一样。

将式(13)代入至式(9)中，可得应用本发明方法的系统的传输效率表达式为

由式(14)可知，当D<0时，应用本发明方法的系统的传输效率和耦合系数k₂₃无关。也就是说，当k₂₃>k_23,cir时，不论k₂₃怎样变化，系统的传输效率保持不变。并且对比式(14)和式(7)可知，应用本发明方法的系统的传输效率恒定在传统传能模式传输效率的最大值点。

两种传能模式的传输效率随耦合系数的变化曲线图如图3所示。其中无标记的实曲线为传统模式的效率曲线图，有圆圈标记的虚曲线是应用本发明方法的系统传输效率曲线图。由图3可得，本发明提出的一种新型的单中继无线电能传输系统参数设计方法，能够以不变的工作频率保证三线圈无线电力传输系统在一定传输距离或方位内效率恒定，且稳定在传统传能模式的最大效率点。即本发明提出的一种单中继无线电能传输系统参数设计方法所应用的系统不仅效率高，且具有很强的鲁棒性。

为了进一步验证本发明的有益效果，下面进行了实际测试，实验中三个线圈同轴平行放置，因此两线圈之间的互感和传输距离存在一一对应关系。L₁＝L₂＝L₃＝53.3μH，R_p1＝R_p2＝R_p3＝0.172Ω，C₁＝65.4nF，传输距离d₁₂固定为0.4m(k₁₂＝0.0421)，C₂和C₃根据最优失谐因子确定。传输距离d₂₃从0.1m以0.04m的步长变化到0.34m，相应的实测效率图如图4所示。

分析图4可证明，运用所提出的单中继无线电能传输系统参数设计方法的系统能在大范围的传输距离上保持恒定的最大传输效率，极大地提升了系统的鲁棒性，增强了终端的自由度。

综上所述，本发明提出了一种新型的单中继无线电能传输系统参数设计方法，并对电路的失谐因子进行了定义和控制。理论和实验证明，运用所提出的单中继无线电能传输系统参数设计方法的系统能在大范围的传输距离上保持恒定的最大传输效率，且工作频率固定，极大地提升了系统的鲁棒性，增强了终端的自由度。同时，利用所提出的方法，推导出一种综合判别法，快速、准确地确定各系统参数的临界值，这对设计MC-WPT系统具有重要意义。该理论为今后对不同结构的MC-WPT系统(如四线圈系统或多米诺线圈系统)进行评价提供了理论基础。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (2)

1.一种单中继无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：确定单中继无线电能传输系统的电路拓扑结构，包括直流电源、高频逆变电路、发射线圈补偿电容、发射线圈、中继线圈、中继线圈补偿电容、接收线圈、接收线圈补偿电容、整流滤波电路及负载；

S2：根据线圈结构，确定三个线圈的自感L₁，L₂，L₃以及对应的线圈内阻R_p1，R_p2，R_p3；

S3：根据实际应用场合，确定高频逆变器的工作频率f，相邻两个线圈之间的互感参数M₁₂，M₂₃以及负载阻值R_L；

S4：根据

确定发射线圈补偿电容的容值C₁；

S5：确定每个回路的品质因数以及各回路之间的耦合系数，其中：

ω＝2πf为电源角频率；

S6：定义各个回路的失谐因子

i＝1,2,3；

S7：计算判别式

S8：根据判别式确定各个回路的最佳失谐因子；

如果D≥0，中继回路和接收回路的最佳失谐因子为：λ_2,opt＝λ_3,opt＝0；

如果D<0，中继回路的最佳失谐因子为

接收回路的最佳失谐因子为λ_3,opt＝c，其中

S9：根据各个回路的最佳失谐因子，按照

确定中继线圈补偿电容和接收线圈补偿电容的容值；

S10：验证系统所有参数可行性；

设计时，按照约束条件

限定负载位置变化。

2.根据权利要求1所述的单中继无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，其特征在于：按照

确定系统的传输效率η。

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