CN109245331A - 四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，首先建立了含损耗部件在内的四线圈谐振系统的等效电路，简化后得到等效阻抗；求得相邻线圈间的传输效率及综合传输效率，在设定系统参数后进行线圈与综合传输效率的关系、负载电阻与综合传输效率的关系的仿真分析，得到效率与传输距离的最佳组合方式。该方法通过建立传输效率表达式，通过调整参数，能得到在满足综合效率的同时改善传输距离。

Description

四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法。

背景技术

无人机的主要用途包括可用于农业、石油和天然气、测绘、监视等领域，全球商用无人机市场发展迅速，但受限于有限的电池容量，无人机目前无法实现长时间的远程飞行。相比于建立大量无人机充电平台或在无人机上实现能量采集系统，使用无线功率传输技术，为远程无人驾驶飞机提供动力具有更高的性价比，为提高无人机的综合传递效率，建立综合传输效率模型十分必要。

已有的双线圈系统受气隙因素影响严重，传输效率及传输距离也不能满足商用要求，开发四线圈磁耦合无线能量传输系统也十分必要。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，能提高无人机的综合传递效率，间接提高传输距离。

本发明提供一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，包括以下步骤：

S1、建立基于损耗部件的等效电路；所述损耗部件为发射线圈的串联电阻，所述等效电路为以下表达式(1)～(4)

V₁＝jωL₁i₁+jωM₁₂i₂+i₁R₁ (1)

式中，i₁、i₂、i₃、i₄分别为四线圈的电流，j为复平面上的一个自然基，ω为四线圈磁耦合式无线能量传输系统的工作频率，L₁、L₂、L₃、L₄分别为四线圈的电感，M₁₂、M₂₃、M₃₄分别为第一线圈与第二线圈间的互感、第二线圈与第三线圈间的互感、第三线圈与第四线圈间的互感，C₁、C₂、C₃、C₄分别为四线圈的谐振电容，V₁、V₄分别为四线圈的端电压，R₁、R₂、R₃、R₄分别为四线圈的内阻；

S2、建立四线圈磁耦合式无线能量传输系统的传输效率表达式；以及

S3、设定四线圈磁耦合式无线能量传输系统参数，包括共振频率f、四线圈的自感L₁、L₂、L₃、L₄、四线圈的谐振电容C₁、C₂、C₃、C₄、四线圈的尺寸r₁、r₂、r₃、r₄和负载电阻R_L；对四线圈与综合传输效率的关系、负载电阻与综合传输效率的关系进行仿真分析，得到效率与传输距离的最优组合方式

优选地，根据步骤S1中的等效电路获得第二线圈的等效电阻Z_2M和第三线圈的等效电阻Z_3M

优选地，所述S2的具体步骤为：

基于双线圈传输效率得到第三线圈与第四线圈间的传输效率，传输效率表达式为

其中，考虑磁路影响时，第三线圈与第四线圈间的传输效率第二线圈与第三线圈间的传输效率为η_{link_23}、第一线圈与第二线圈间的传输效率为η_{link_12}，k为第三线圈与第四线圈间耦合系数、Q₃、Q₄为第三线圈与第四线圈的品质因数、P_L为负载功率、P₃为第三线圈的功率、I_L为负载电流；

再结合表达式(4)，得到第三线圈与第四线圈间的传输效率表达式

得到第二线圈与第三线圈间的传输效率表达式为

通过表达式(12)消除(10)中的未知量，得到第一线圈与第二线圈间的传输效率表达式为

其中，第二线圈的等效阻抗Z_{eq_2}＝Z_2M+R₂、第三线圈的等效阻抗Z_{eq_3}＝Z_3M+R₃；

得到四线圈磁耦合式无线能量传输系统的综合传输效率η_tot表达式为

本发明的四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法能提高无人机的综合传递效率，进而提高无人机的无线传输距离。

附图说明

图1为本发明方法的逻辑示意图；

图2为本发明的传输系统模型图；

图3为本发明的传输系统模型简化图；

图4为本发明气隙与传输效率的关系图；

图5为本发明线圈半径与传输效率的关系图；以及

图6为本发明负载阻值与传输效率的关系图。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

如图1所示，一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法的逻辑示意图，包括S1、建立含损耗部件在内的等效电路；S2、建立并分析整体系统传输效率表达式；S3、进行仿真分析得到效率与传输距离的最佳组合方式。

步骤S1中的损耗部件为发射线圈的串联电阻，等效电路如图2所示，四线圈磁耦合式无线能量传输系统由驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈依次构成，下文以第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈分别表示，其中第四线圈与负载相连，建立表达式(1)～(4)

V₁＝jωL₁i₁+jωM₁₂i₂+i₁R₁ (1)

式中，i₁、i₂、i₃、i₄分别为四线圈的电流，j为复平面上的一个自然基，ω为系统的工作频率，L₁、L₂、L₃、L₄分别为四线圈的电感，M₁₂、M₂₃、M₃₄分别为第一线圈与第二线圈间的互感、第二线圈与第三线圈间的互感、第三线圈与第四线圈间的互感，C₁、C₂、C₃、C₄分别为四线圈的谐振电容，V₁、V₄分别为四线圈的端电压，R₁、R₂、R₃、R₄分别为四线圈的内阻；

为作进一步分析，将上述等效电路进行简化，如图3(a)和图3(b)所示，得到第二线圈等效电阻Z_2M和第三线圈的等效电阻Z_3M

步骤S2的具体过程为：

基于双线圈传输效率的计算方法，得到第三线圈与第四线圈间的传输效率，传输效率表达式为

其中，只考虑磁路影响时，第三线圈与第四线圈间的传输效率第二线圈与第三线圈间的传输效率为η_{link_23}、第一线圈与第二线圈间的传输效率为η_{link_12}，k为第三线圈与第四线圈间耦合系数、Q₃、Q₄为第三线圈与第四线圈的品质因数、P_L为负载功率、P₃为第三线圈的功率、I_L为负载电流；

再结合表达式4，得到第三线圈与第四线圈间的传输效率表达式(8)

进一步，考虑第二线圈与第三线圈间的传输效率为表达式(9)

其中，P₂为第二线圈的功率、I₂为第二线圈的电流；

由于线圈在共振下运行，ω²L₃C₃＝1表达式(3)可以表达为

和

其中，第三线圈的等效阻抗Z_{eq_3}＝Z_3M+R₃；

同样地，得到第二线圈与第三线圈间的传输效率表达式为

通过表达式(12)消除(10)中的未知量，得到第一线圈与第二线圈间的传输效率表达式为

其中，第二线圈的等效阻抗Z_{eq_2}＝Z_2M+R₂；

得到系统的综合传输效率表达式为

步骤S3的具体过程为：包括共振频率f、四线圈的自感L₁、L₂、L₃、L₄、四线圈的谐振电容C₁、C₂、C₃、C₄、和负载电阻R_L；对四线圈与综合传输效率的关系、负载电阻与综合传输效率的关系进行仿真分析，得到效率与传输距离的最优组合方式

S31、由于线圈尺寸会影响线圈内阻和品质因数，所以设定系统参数时，包括四线圈的尺寸r₁、r₂、r₃、r₄、共振频率f、四线圈的自感L₁、L₂、L₃、L₄、四线圈的谐振电容C₁、C₂、C₃、C₄和负载电阻R_L，如表1所示

表1参数表

符号	含义	值
			f	共振频率	6.5MHz
L<sub>1</sub>、L<sub>2</sub>、L<sub>3</sub>	前三个线圈的自感	47μH
			L<sub>4</sub>	第四线圈的自感	9.4μH
C<sub>1</sub>、C<sub>2</sub>、C<sub>3</sub>	前三个线圈的电容	12.6pf
			C<sub>4</sub>	第四线圈的电容	63.78pf
r<sub>1</sub>、r<sub>2</sub>、r<sub>3</sub>	前三个线圈的尺寸	0.3m
			r<sub>4</sub>	第四线圈的尺寸	0.05m
R<sub>L</sub>	负载电阻	20Ω

在上述参数基础上，首先模拟不同气隙距离对双线圈系统和四线圈系统的影响，能从仿真结果直观感受双线圈系统和四线圈系统的优劣性。

如图4所示，随着第二线圈与第三线圈之间气隙距离的增加，传输效率下降，在气隙距离为1.8m时，双线圈系统的效率几乎为0，而四线圈系统在该传输距离处传仍具有37％的输效率。

S32、再对线圈与综合传输效率的关系、负载电阻与综合传输效率的关系进行仿真分析。

如图5所示，随着线圈尺寸变大，耦合系数增大，系统综合效率迅速上升，而当线圈尺寸超过0.7m时，线圈电阻效率成主要消耗部分，综合效率下降。

如图6所示，使综合效率最大的最佳负载电阻约为400Ω，而对于商用无人机，负载电阻较低，当负载电阻为20Ω时，综合效率达到70％以上，能满足综合传输效率指标。

由于传输距离的增大会降低综合传输效率，故提高综合传输效率后，便能通过控制综合传输效率在指标值处，以换取更大的传输距离。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立基于损耗部件的等效电路；所述损耗部件为发射线圈的串联电阻，所述等效电路为以下表达式(1)～(4)

V₁＝jωL₁i₁+k=jωM₁₂i₂+i₁R₁ (1)

式中，i₁、i₂、i₃、i₄分别为四线圈的电流，j为复平面上的一个自然基，ω为四线圈磁耦合式无线能量传输系统的工作频率，L₁、L₂、L₃、L₄分别为四线圈的电感，M₁₂、M₂₃、M₃₄分别为第一线圈与第二线圈间的互感、第二线圈与第三线圈间的互感、第三线圈与第四线圈间的互感，C₁、C₂、C₃、C₄分别为四线圈的谐振电容，V₁、V₄分别为四线圈的端电压，R₁、R₂、R₃、R₄分别为四线圈的内阻；

S2、建立四线圈磁耦合式无线能量传输系统的传输效率表达式；以及

S3、设定四线圈磁耦合式无线能量传输系统参数，包括共振频率f、四线圈的自感L₁、L₂、L₃、L₄、四线圈的谐振电容C₁、C₂、C₃、C₄、四线圈的尺寸r₁、r₂、r₃、r₄和负载电阻R_L；对四线圈与综合传输效率的关系、负载电阻与综合传输效率的关系进行仿真分析，得到效率与传输距离的最优组合方式。

2.根据权利要求1所述的四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，其特征在于，

根据步骤S1中的等效电路获得第二线圈的等效电阻Z_2M和第三线圈的等效电阻Z_3M

3.根据权利要求2所述的四线圈磁耦合式无线能量传输系统的效率优化方法，其特征在于，所述S2的具体步骤为：

基于双线圈传输效率得到第三线圈与第四线圈间的传输效率，传输效率表达式为

其中，考虑磁路影响时，第三线圈与第四线圈间的传输效率第二线圈与第三线圈间的传输效率为η_{link_23}、第一线圈与第二线圈间的传输效率为η_{link_12}，k为第三线圈与第四线圈间耦合系数、Q₃、Q₄为第三线圈与第四线圈的品质因数、P_L为负载功率、P₃为第三线圈的功率、I_L为负载电流；

再结合表达式(4)，得到第三线圈与第四线圈间的传输效率表达式

得到第二线圈与第三线圈间的传输效率表达式为

通过表达式(12)消除(10)中的未知量，得到第一线圈与第二线圈间的传输效率表达式为

其中，第二线圈的等效阻抗Z_{eq_2}＝Z_2M+R₂、第三线圈的等效阻抗Z_{eq_3}＝Z_3M+R₃；

得到四线圈磁耦合式无线能量传输系统的综合传输效率η_tot表达式为