CN111337754A - 基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法 - Google Patents

基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法 Download PDF

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王浩
王玉泽
李敬
李铁成
朱配清
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Abstract

一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：S1配置无线电能传输系统二端口网络，S2通过网络矩阵推导出传输模型，S3网络端口参数测量，S4电磁耦合效率计算。本发明利用网络端口测量设备，基于散射矩阵的无线电能传输电路，结合网络端口能量等效关系、输入输出能量转换关系，通过电路测量，计算出无线电能传输系统的电磁耦合效率。因为电池耦合的场域特性，其耦合效率不能够直接通过现有的测量仪器直接读取，本发明的测量方法通过现有测量设备获取电磁耦合效率测量值。

Description

基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种无线电能传输系统电磁耦合效率的测量方法。
背景技术
无接触电能传输技术作为新的电能传输技术在电动汽车、航空航天、电力系统、能源交通、生物医疗、通讯技术等领域具有广泛的应用前景，近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。根据应用场合的不同，该技术可分为电磁感应式、电磁耦合谐振式与电磁辐射式3种。其中，电磁耦合谐振技术利用辐射电磁场耦合实现电能传输，与电磁感应式能量传输方式相比，在传输距离上有了较大扩展，为用电设备获取电能带来更大的自由。与电磁辐射式能量传输方式相比，该能量传输方式具有非辐射的特点，因此具有较好的安全性，且减少了电能发射端与接收端的设计难度。该种设计的重点就在于的设计中间阶段的电磁耦合线圈，实现完整的电磁传输过程，优化电磁耦合线圈需要得到精确的电磁耦合效率作为参考。目前无线电能传输领域，借助能量排除法获得传输效率值，或者通过等效电路分析方法获取系统传输效率的方法存在误差过大的问题，不能够为传输线圈的设计提供精确数据。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，为传输线圈的设计提供精确数据。
一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：
S1.配置无线电能传输系统二端口网络
将传统的单一个二端口网络分解为两个二端口子网络的级联，两个子网络分别为发射子网络(P1)和接收子网络(P2)，两个子网络级联后形成一个总的传输网络，根据二端口网络的散射原理给出两个子网络的散射矩阵，发射与接收子网络的散射矩阵分别为式(1)和(2)，总网络的散射矩阵表示为式(3)；
Figure BDA0001909389430000011
Figure BDA0001909389430000012
Figure BDA0001909389430000013
其中：
Figure BDA0001909389430000021
为发射子网络输入和输出端入射能量，
Figure BDA0001909389430000022
为发射子网络输入和输出端反射能量，
Figure BDA0001909389430000023
为接收子网络输入和输出端入射能量，
Figure BDA0001909389430000024
为接收子网络输入和输出端反射能量；
Figure BDA0001909389430000025
为发射子网络散射参数，
Figure BDA0001909389430000026
为接收子网络散射参数，S11、S12、S21、S22为总传输网络散射参数；
S2.通过网络矩阵推导出传输模型
由式(1)得出网络P1的传输模型为式(4)和式(5)，由式(2)得出网络P2的传输模型为式(6)和式(7)，由式(3)得出总网络的传输模型为式(8)和式(9)；
通过矩阵运算得出发射子网络与接收子网络的输入输出能量值：
Figure BDA0001909389430000027
Figure BDA0001909389430000028
Figure BDA0001909389430000029
S3.网络端口参数测量
S3.1无线电能传输系统接入输入功率，建立无线电能传输网络；
S3.2切断输入与输出负载，在输入端口加载网络矢量分析仪的测量探头，探头分别夹持在发射子网络的输入端与输出端，读取对应发射端的端口参数：
Figure BDA00019093894300000210
S3.3按照步骤S4.2的方法将探头夹持在接收子网络的输入端与输出端，读取对应接收端的端口参数：
Figure BDA00019093894300000211
S3.4按照步骤S4.2的方法将探头夹持在整个传输系统的两端，读取系统的端口参数：S11、S12、S21、S22；
S4.电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率定义为：
Figure BDA00019093894300000212
S4.1无线电能传输系统的发射端与接收端双向电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率为η，发射端向接收端的电磁耦合效率为η12，接收端向发射端的电磁耦合效率为η21；因为无线电能传输结构具有互易性，得出η12＝η21＝η，0＜η＜1，根据无线电能传输系统能量传递关系得出：
Figure BDA0001909389430000031
Figure BDA0001909389430000032
Figure BDA0001909389430000033
Figure BDA0001909389430000034
S4.2通过等式变量等值带入求得电磁耦合系统的输入能量值
将式(12)代入式(13)得到：
Figure BDA0001909389430000035
经过整理后得到：
Figure BDA0001909389430000036
其中
Figure BDA0001909389430000037
将式(15)代入式(4)，
Figure BDA0001909389430000038
S4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值
利用式(16)与式(8)的对应关系得到：
Figure BDA0001909389430000039
Figure BDA00019093894300000310
Figure BDA00019093894300000311
将η12＝η21＝η代入式(17)，得到电磁耦合效率为：
Figure BDA00019093894300000312
将步骤S3测得的网络端口参数S11、
Figure BDA00019093894300000313
代入式(20)即可获得系统电磁耦合效率值。
进一步，所述步骤S4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值方法如下：
将式(13)代入(12)得到：
Figure BDA0001909389430000041
Figure BDA0001909389430000042
其中
Figure BDA0001909389430000043
Figure BDA0001909389430000044
Figure BDA0001909389430000045
Figure BDA0001909389430000046
Figure BDA0001909389430000047
同样将η12＝η21＝η代入式(26)，得到电磁耦合效率η为：
Figure BDA0001909389430000048
将步骤S3测得的网络端口参数S22、
Figure BDA0001909389430000049
代入式(27)，即可获得系统电磁耦合效率值。
本发明利用网络端口测量设备，基于散射矩阵的无线电能传输电路，结合网络端口能量等效关系、输入输出能量转换关系，通过电路测量，计算出无线电能传输系统的电磁耦合效率。因为电池耦合的场域特性，其耦合效率不能够直接通过现有的测量仪器直接读取，本发明的测量方法通过现有测量设备获取电磁耦合效率测量值。
附图说明
图1是无线传输系统示意图，
图2是散射参数端口示意图，
图3是传输网络的散射矩阵能量传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：
S1.配置无线电能传输系统二端口网络
传统的二端口网络，如图1所示，两个端口间包括激发模块、耦合传输模块、负载模块。本发明将传统的单一个二端口网络分解为两个二端口子网络的级联，如图2所示,两个子网络分别为发射子网络P1和接收子网络P2，两个子网络级联后形成一个总的传输网络，图3为散射矩阵的能量传输示意图。根据二端口网络的散射原理给出两个子网络的散射矩阵，发射与接收子网络的散射矩阵分别为式(1)和(2)，总网络的散射矩阵表示为式(3)。
Figure BDA0001909389430000051
Figure BDA0001909389430000052
Figure BDA0001909389430000053
其中：
Figure BDA0001909389430000054
为发射子网络输入和输出端入射能量，
Figure BDA0001909389430000055
为发射子网络输入和输出端反射能量，
Figure BDA0001909389430000056
为接收子网络输入和输出端入射能量，
Figure BDA0001909389430000057
为接收子网络输入和输出端反射能量；
Figure BDA0001909389430000058
为发射子网络散射参数，
Figure BDA0001909389430000059
为接收子网络散射参数，S11、S12、S21、S22为总传输网络散射参数。
S2.通过网络矩阵推导出传输模型
由式(1)得出网络P1的传输模型为式(4)和式(5)，由式(2)得出网络P2的传输模型为式(6)和式(7)，由式(3)得出总网络的传输模型为式(8)和式(9)。
通过矩阵运算得出发射子网络与接收子网络的输入输出能量值
Figure BDA00019093894300000510
Figure BDA00019093894300000511
Figure BDA00019093894300000512
S3.网络端口参数测量
搭建无线电能传输实验平台，使用Agilent 8753ES参数矢量网络分析仪对系统的散射参数进行实时测量，分别测量发射子网络、接收子网络以及全系统网络端口参数。
S3.1无线电能传输系统接入输入功率，调整输入电压与输出端的负载电压，建立无线电能传输网络；
S3.2切断输入与输出负载，在输入端口加载网络矢量分析仪的测量探头，探头分别夹持在发射子网络的输入端与输出端，读取对应发射端的端口参数：
Figure BDA0001909389430000061
S3.3按照步骤S3.2的方法将探头夹持在接收子网络的输入端与输出端，读取对应接收端的端口参数：
Figure BDA0001909389430000062
S3.4按照步骤S3.2的方法将探头夹持在整个传输系统的两端，读取系统的端口参数：S11、S12、S21、S22；
S4.电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率定义为：
Figure BDA0001909389430000063
S4.1无线电能传输系统的发射端与接收端双向电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率为η，发射端向接收端的电磁耦合效率为η12，接收端向发射端的电磁耦合效率为η21。因为无线电能传输结构具有互易性，得出η12＝η21＝η，0＜η＜1，根据无线电能传输系统能量传递关系得出：
Figure BDA0001909389430000064
Figure BDA0001909389430000065
Figure BDA0001909389430000066
Figure BDA0001909389430000067
S4.2通过等式变量等值带入求得电磁耦合系统的输入能量值
将式(12)代入式(13)得到：
Figure BDA0001909389430000068
经过整理后得到：
Figure BDA0001909389430000069
其中
Figure BDA0001909389430000071
将式(15)代入式(4)，
Figure BDA0001909389430000072
S4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值
S4.3.1第一种计算方式
利用式(16)与式(8)的对应关系得到：
Figure BDA0001909389430000073
Figure BDA0001909389430000074
Figure BDA0001909389430000075
将η12＝η21＝η代入式(17)，得到电磁耦合效率为：
Figure BDA0001909389430000076
将步骤S3测量测得的网络端口参数S11、
Figure BDA0001909389430000077
代入式(20)即可获得系统电磁耦合效率值。
S4.3.2第二种计算方式
通过矩阵运算的对偶原理，采用另一个方式计算电磁耦合效率
将式(13)代入(12)得到：
Figure BDA0001909389430000078
Figure BDA0001909389430000079
其中
Figure BDA00019093894300000710
Figure BDA00019093894300000711
Figure BDA00019093894300000712
Figure BDA00019093894300000713
Figure BDA00019093894300000714
同样将η12＝η21＝η代入式(26)，得到电磁耦合效率η为：
Figure BDA0001909389430000081
将步骤S3测得的网络端口参数S22、
Figure BDA0001909389430000082
代入式(27)，即可获得系统电磁耦合效率值。
式(20)和(27)分别使用两组不同的散射参数实现电磁耦合效率的计算，因为传输网络具有互易性的特点，且计算模型中所用参数为对称关系，因此步骤S4.3.1和S4.3.2两种方式计算的电磁耦合系数具有相同的结果。
本发明使用网络矢量分析仪测量系统的网络端口参数，代入公式(20)或(27)中，直接计算出系统的电磁耦合效率，在这个过程中还去除了系统电磁辐射损耗和系统反射损耗的影响因素，能够直观体现系统的电磁传输效果。

Claims (2)

1.一种基于散射矩阵的无线电能传输系统电磁耦合效率测量方法，包括如下步骤：
S1.配置无线电能传输系统二端口网络
将传统的单一个二端口网络分解为两个二端口子网络的级联，两个子网络分别为发射子网络(P1)和接收子网络(P2)，两个子网络级联后形成一个总的传输网络，根据二端口网络的散射原理给出两个子网络的散射矩阵，发射与接收子网络的散射矩阵分别为式(1)和(2)，总网络的散射矩阵表示为式(3)；
Figure FDA0001909389420000011
Figure FDA0001909389420000012
Figure FDA0001909389420000013
其中：
Figure FDA0001909389420000014
为发射子网络输入和输出端入射能量，
Figure FDA0001909389420000015
为发射子网络输入和输出端反射能量，
Figure FDA0001909389420000016
为接收子网络输入和输出端入射能量，
Figure FDA0001909389420000017
为接收子网络输入和输出端反射能量；
Figure FDA0001909389420000018
为发射子网络散射参数，
Figure FDA0001909389420000019
为接收子网络散射参数，S11、S12、S21、S22为总传输网络散射参数；
S2.通过网络矩阵推导出传输模型
由式(1)得出网络P1的传输模型为式(4)和式(5)，由式(2)得出网络P2的传输模型为式(6)和式(7)，由式(3)得出总网络的传输模型为式(8)和式(9)；
通过矩阵运算得出发射子网络与接收子网络的输入输出能量值：
Figure FDA00019093894200000110
Figure FDA00019093894200000111
Figure FDA00019093894200000112
S3.网络端口参数测量
S3.1无线电能传输系统接入输入功率，建立无线电能传输网络；
S3.2切断输入与输出负载，在输入端口加载网络矢量分析仪的测量探头，探头分别夹持在发射子网络的输入端与输出端，读取对应发射端的端口参数：
Figure FDA0001909389420000021
S3.3按照步骤S3.2的方法将探头夹持在接收子网络的输入端与输出端，读取对应接收端的端口参数：
Figure FDA0001909389420000022
S3.4按照步骤S3.2的方法将探头夹持在整个传输系统的两端，读取系统的端口参数：S11、S12、S21、S22；
S4.电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率定义为：
Figure FDA0001909389420000023
S4.1无线电能传输系统的发射端与接收端双向电磁耦合效率计算
无线电能传输系统电磁耦合效率为η，发射端向接收端的电磁耦合效率为η12，接收端向发射端的电磁耦合效率为η21；因为无线电能传输结构具有互易性，得出η12＝η21＝η，0＜η＜1，根据无线电能传输系统能量传递关系得出：
Figure FDA0001909389420000024
Figure FDA0001909389420000025
Figure FDA0001909389420000026
Figure FDA0001909389420000027
S4.2通过等式变量等值带入求得电磁耦合系统的输入能量值
将式(12)代入式(13)得到：
Figure FDA0001909389420000028
经过整理后得到：
Figure FDA0001909389420000029
其中
Figure FDA00019093894200000210
将式(15)代入式(4)，
Figure FDA00019093894200000211
S4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值
利用式(16)与式(8)的对应关系得到：
Figure FDA0001909389420000031
Figure FDA0001909389420000032
Figure FDA0001909389420000033
将η12＝η21＝η代入式(17)，得到电磁耦合效率为：
Figure FDA0001909389420000034
将步骤S3测得的网络端口参数S11、
Figure FDA0001909389420000035
代入式(20)即可获得系统电磁耦合效率值。
2.如权利要求1所述的电磁耦合效率测量方法，其特征在于，所述步骤S4.3通过等式两端等效关系，解出双向电磁耦合效率值方法如下：
将式(13)代入(12)得到：
Figure FDA0001909389420000036
Figure FDA0001909389420000037
其中
Figure FDA0001909389420000038
Figure FDA0001909389420000039
Figure FDA00019093894200000310
Figure FDA00019093894200000311
Figure FDA00019093894200000312
同样将η12＝η21＝η代入式(26)，得到电磁耦合效率η为：
Figure FDA00019093894200000313
将步骤S3测得的网络端口参数S22、
Figure FDA00019093894200000314
代入式(27)，即可获得系统电磁耦合效率值。
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