CN110071580A - 高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法,分别设置无线电能传输系统的谐振频率f0和激励频率f的范围;分别计算无线电能传输系统的正向传输系数|S21|,以及谐振频率f0所对应的差值Ax和Bx;通过判定差值Ax与Bx的乘积是否大于等于零,得到无线电能传输系统的极点谐振频率f0p;分别计算极点谐振频率f0p对应的效率评价参数ap,满足ap≥0.85的极点谐振频率定义为高效谐振频率f0q;分别计算高效谐振频率f0q下的波动因子σq,并进行比较,最小的效率波动因子σqmin对应的高效谐振频率即为高鲁棒性无线电能传输系统的最优谐振频率。本发明有效解决了电路参数发生漂移时系统效率急剧下降的问题,为增强无线电能传输系统的鲁棒性提供了一个新思路。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域,具体涉及一种高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法。
背景技术
无线电能传输又称为无接触式电能传输,指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输一直是人类的梦想。早在1893年的哥伦比亚世博会上,美国科学家Nikola Tesla展示了他的无线磷光照明灯。Nikola Tesla利用无线电能传输原理,在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。2007年,美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了新进展。随后,世界各地的研究人员对无线电能传输开展了越来越多的研究。
根据传输机理的不同,无线电能传输可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等。磁感应耦合式和磁耦合谐振式无线电能利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈,从而实现对负载的无线电能传输。其中,感应耦合式技术的传输功率较大,在较短的传输距离内传输效率较高,随着传输距离的增大,传输效率迅速变小。微波辐射式和激光方式利用电磁场远场辐射效应在自由空间进行电能传输,但微波辐射式在传输过程中的发散角较大,功率密度较低;激光方式的定向精度要求高,目前即使还不够成熟。超声波方式的无线电能传输主要以超声波作为耦合媒介,通过发射/接收换能器的逆压电效应和正压电效应实现电能-机械能-声能和声能-机械能-电能的能量转换,实现无线电能传输。但该方式的传输功率较小,传输效率不高。电场耦合式无线电能传输中,由于电场对人体的危害比磁场严重,因此目前研究的比较少;磁耦合谐振式无线电能传输通过谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来传输能量,较之耦合感应式传能,在传输距离上有了很大的扩展;相比于辐射式传能,其对电磁环境的影响较小,且传输功率较大,因此受到越来越广泛的关注和研究。
但是目前关于磁耦合谐振无线电能传输系统的研究大多都是单一谐振频率,一旦谐振频率发生偏移,系统高效率就会急剧下降,鲁棒性相对来说比较差。针对此类问题,提出了一种高鲁棒性的谐振频率优化设计方法,系统工作在此优化设计方法得到的谐振频率下,具有较高的鲁棒性。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法,该设计方法对系统的谐振频率进行优化最终获得了一个最佳谐振频率。系统工作在此谐振频率下可获得较高的鲁棒性。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法,其特征在于具体步骤为:
(1)、设置无线电能传输系统的源线圈和负载线圈均为半径为r1的单匝线圈,发射线圈和接收线圈均为起始半径为r2的两匝平面螺旋线圈,匝间距为r2/13;发射线圈和接收线圈平行相对且相对设置于平行相对的源线圈和负载线圈之间,源线圈距发射线圈以及负载线圈距接收线圈的距离均为r2/13;源线圈通过源电压VS、源内阻RS和电容C1形成闭合回路;发射线圈通过电容C2形成闭合回路;接收线圈通过电容C3形成闭合回路;负载线圈通过负载电阻RL和电容C4形成闭合回路;发射线圈与接收线圈之间的传输距离d为r2/3;
(2)、计算无线电能传输系统线圈之间的互感,分别设置无线电能传输系统的谐振频率f0的范围为[f0min,f0max],激励频率f的范围为[fmin,fmax],在以上频率设定范围内,谐振频率以1MHz为步进,激励频率以0.1MHz为步进,在每个谐振频率f0i(i=1,2,3…)处,测量得到所有激励频率fj(j=1,2,3…)下无线电能传输系统的全部正向传输系数|S21|(i,j);
(3)、不考虑激励频率的最小值fmin和最大值fmax这两个频率点,对无线电能传输系统的谐振频率为f0i时测量得到的正向传输系数用步骤(2)中得到的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j-1个正向传输系数|S21|(i,j-1)得到差值Ax(x=1,2,3…j-1);用步骤(2)中得到的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j+1个正向传输系数|S21|(i,j+1)得到差值Bx(x=1,2,3…j-1);
(4)、对谐振频率范围[f0min,f0max]内的每个谐振频率f0i都进行如步骤(3)中的操作,并记录每个谐振频率f0i下所对应的差值Ax和Bx,若满足条件Ax×Bx≥0,则定义该谐振频率为极点谐振频率f0p(1≤p≤imax,imax为i的最大值),并记录该极点谐振频率f0p以及其所对应的全部正向传输系数|S21|(p,j),统计极点谐振频率f0p下的正向传输系数的个数n;若满足条件Ax×Bx<0,则不做记录;
(5)、对与步骤(4)中记录的无线电能传输系统的每个极点谐振频率f0p对应的全部正向传输系数|S21|(p,j)的值分别相加后除以步骤(4)中得到的每个极点谐振频率f0p对应的正向传输系数个数n,得到每个极点谐振频率f0p下的无线电能传输系统的效率评价参数ap;若满足ap≥0.85,则定义该极点谐振频率f0p为高效谐振频率f0q(1≤q≤pmax,pmax为p的最大值),并记录该高效谐振频率f0q以及其对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)和效率评价参数ap;若ap<0.85,则不做记录;
(6)、用步骤(5)中记录的每个高效谐振频率f0q对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)分别减去步骤(5)中得到的对应每个高效谐振频率f0q的效率评价参数ap,并对结果求平方和后分别除以步骤(4)中得到的对应每个高效谐振频率f0q的正向传输系数个数n,得到每个高效谐振频率f0q下无线电能传输系统的波动因子σq;
(7)、对步骤(6)中记录的全部无线电能传输系统的波动因子σq进行比较,找出无线电能传输系统的最小的非零波动因子σqmin,其所对应的高效谐振频率f0q即为高鲁棒性无线电能传输系统的最优谐振频率。
本发明有效解决了电路参数发生漂移时系统效率急剧下降的问题,为增强无线电能传输系统的鲁棒性提供了一个新思路。
附图说明
图1是无线电能传输系统的结构拓扑图;
图2是无线电能传输系统在不同谐振频率下的正向传输系数个数图;
图3是无线电能传输系统在不同谐振频率下的效率评价参数图;
图4是无线电能传输系统在不同谐振频率下的波动因子图;
图5是系统谐振频率发生漂移时正向传输系数随激励频率变化数据分析图。
具体实施方式
为了使本发明技术方法的内容更加清楚明了,以下结合附图,在四线圈磁耦合谐振无线电能传输系统中对本发明一种高鲁棒的性无线电能传输系统谐振频率优化方法进行进一步地详细说明。
如图1所示,无线电能传输系统的主体由四个线圈组成,从左到右依次是源线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈;源线圈和负载线圈均为半径为r1的单匝线圈,发射线圈和接收线圈均为起始半径为r2的两匝平面螺旋线圈,匝间距为r2/13;发射线圈和接收线圈平行相对且相对设置于平行相对的源线圈和负载线圈之间,源线圈距发射线圈以及负载线圈距接收线圈的距离均为r2/13;源线圈通过源电压VS、源内阻RS和电容C1形成闭合回路;发射线圈通过电容C2形成闭合回路;接收线圈通过电容C3形成闭合回路;负载线圈通过负载电阻RL和电容C4形成闭合回路;发射线圈与接收线圈之间的传输距离d为r2/3。把无线电能传输系统的每个线圈都等效成电阻Rt(t=1,2,3,4)、电感Lt、电容Ct串联的回路,列出每个回路的基尔霍夫电压方程如下:
式中VS是源电压;Ct=1/(4π2f0 2),f0是线圈的谐振频率;M12是源线圈与发射线圈之间的互感,M23是发射线圈与接收线圈之间的互感,M34是接收线圈与负载线圈之间的互感;ω=2πf,f是外激励频率;Z1=RS+R1+j(ωL1-1/ωC1),Z2=R2+j(ωL2-1/ωC2),Z3=R3+j(ωL3-1/ωC3),Z4=RL+R4+j(ωL4-1/ωC4)。I1、I2、I3、I4分别是四个回路的电流。根据电压方程,可得到如下电流的比值:
根据电流的比值,正向传输系数|S21|可计算为:
其中
设置无线电能传输系统的负载电阻为RL为50Ω;源内阻RS为50Ω;传输距离为50mm。确定线圈的自感以及线圈之间的互感,分别设置无线电能传输系统的谐振频率f0的范围为1MHz到50MHz,激励频率f的范围为1MHz到100MHz。在以上频率设定范围内,谐振频率以1MHz为步进,激励频率以0.1MHz为步进。在每个谐振频率f0i(i=1,2,3…50)处,测量得到所有激励频率fj(j=1,2,3…991)下无线电能传输系统的全部正向传输系数|S21|(i,j)。
不考虑激励频率的最小值1MHz和最大值100MHz这两个频率点,分别用无线电能传输系统的每个谐振频率f0i对应的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j-1个正向传输系数|S21|(i,j-1)得到每个谐振频率f0i下的差值Ax(x=1,2,3…990);分别用无线电能传输系统的每个谐振频率f0i对应的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j+1个正向传输系数|S21|(i,j-1)得到每个谐振频率f0i下的差值Bx(x=1,2,3…990),如下:
谐振频率范围1MHz到50MHz内的每个谐振频率f0i都满足条件Ax×Bx≥0,定义1MHz到50MHz范围内的谐振频率f0i为极点谐振频率f0p(1≤p≤50)。记录每个极点谐振频率f0p以及其所对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)和正向传输系数的个数n。如图2所示,当极点谐振频率f0p在2MHz到16MHz范围内,满足条件Ax×Bx≥0的正向传输系数有三个;当极点谐振频率f0p为1MHz、17MHz、18MHz时,满足条件Ax×Bx≥0的正向传输系数有五个;当极点谐振频率f0p在19MHz到50MHz范围内,满足条件Ax×Bx≥0的正向传输系数有七个。
对与每个极点谐振频率f0p对应的全部正向传输系数|S21|(p,j)的值分别相加后除以极点谐振频率f0p对应的正向传输系数个数,得到每个极点谐振频率f0p下的无线电能传输系统的效率评价参数ap如下。
如图3所示,当极点谐振频率f0p在1MHz到6MHz时,效率评价参数ap<0.85。当极点谐振频率f0p在7MHz到50MHz时,效率评价参数ap≥0.85。把极点谐振频率在7MHz到50MHz范围内的极点谐振频率f0p定义为高效谐振频率f0q(7≤p≤50)。
用每个高效谐振频率f0q对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)分别减去每个高效谐振频率f0q对应的效率评价参数ap,并对结果求平方和后分别除以每个高效谐振频率f0q对应的正向传输系数个数n,得到每个高效谐振频率f0q下无线电能传输系统的波动因子σq如下:
如图4所示,当高效谐振频率f0q为19MHz时,无线电能传输系统取得最小非零的波动因子σqmin=2×10-6。所以19MHz就是为高鲁棒性无线电能传输系统的最优谐振频率。
如图5所示,当电容参数发生不同程度漂移,无线电能传输系统工作在最优谐振频率19MHz下具有较高的鲁棒性,特别在原始谐振频率19MHz处,系统的正向传输系数几乎不受影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.高鲁棒性无线电能传输系统谐振频率优化设计方法,其特征在于具体步骤为:
(1)、设置无线电能传输系统的源线圈和负载线圈均为半径为r1的单匝线圈,发射线圈和接收线圈均为起始半径为r2的两匝平面螺旋线圈,匝间距为r2/13;发射线圈和接收线圈平行相对且相对设置于平行相对的源线圈和负载线圈之间,源线圈距发射线圈以及负载线圈距接收线圈的距离均为r2/13;源线圈通过源电压VS、源内阻RS和电容C1形成闭合回路;发射线圈通过电容C2形成闭合回路;接收线圈通过电容C3形成闭合回路;负载线圈通过负载电阻RL和电容C4形成闭合回路;发射线圈与接收线圈之间的传输距离d为r2/3;
(2)、计算无线电能传输系统线圈之间的互感,分别设置无线电能传输系统的谐振频率f0的范围为[f0min,f0max],激励频率f的范围为[fmin,fmax],在以上频率设定范围内,谐振频率以1MHz为步进,激励频率以0.1MHz为步进,在每个谐振频率f0i(i=1,2,3…)处,测量得到所有激励频率fj(j=1,2,3…)下无线电能传输系统的全部正向传输系数|S21|(i,j);
(3)、不考虑激励频率的最小值fmin和最大值fmax这两个频率点,对无线电能传输系统的谐振频率为f0i时测量得到的正向传输系数用步骤(2)中得到的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j-1个正向传输系数|S21|(i,j-1)得到差值Ax(x=1,2,3…j-1);用步骤(2)中得到的第j个正向传输系数|S21|(i,j)减去第j+1个正向传输系数|S21|(i,j+1)得到差值Bx(x=1,2,3…j-1);
(4)、对谐振频率范围[f0min,f0max]内的每个谐振频率f0i都进行如步骤(3)中的操作,并记录每个谐振频率f0i下所对应的差值Ax和Bx,若满足条件Ax×Bx≥0,则定义该谐振频率为极点谐振频率f0p(1≤p≤imax,imax为i的最大值),并记录该极点谐振频率f0p以及其所对应的全部正向传输系数|S21|(p,j),统计极点谐振频率f0p下的正向传输系数的个数n;若满足条件Ax×Bx<0,则不做记录;
(5)、对与步骤(4)中记录的无线电能传输系统的每个极点谐振频率f0p对应的全部正向传输系数|S21|(p,j)的值分别相加后除以步骤(4)中得到的每个极点谐振频率f0p对应的正向传输系数个数n,得到每个极点谐振频率f0p下的无线电能传输系统的效率评价参数ap;若满足ap≥0.85,则定义该极点谐振频率f0p为高效谐振频率f0q(1≤q≤pmax,pmax为p的最大值),并记录该高效谐振频率f0q以及其对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)和效率评价参数ap;若ap<0.85,则不做记录;
(6)、用步骤(5)中记录的每个高效谐振频率f0q对应的全部正向传输系数|S21|(q,j)分别减去步骤(5)中得到的对应每个高效谐振频率f0q的效率评价参数ap,并对结果求平方和后分别除以步骤(4)中得到的对应每个高效谐振频率f0q的正向传输系数个数n,得到每个高效谐振频率f0q下无线电能传输系统的波动因子σq;
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