CN111371196A - 浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，本发明发现不论传输距离近还是传输距离远系统都是在本征频率处取得最大能效，且当本征频率为实数的时候各本征态相互正交，MC‑WPT系统中各电流相位刚好相差180度，系统抗干扰能力强。基于这个特性，本发明通过对磁耦合无线电能传输系统的数学模型进行分析，并进行参数设置，以保证系统始终工作在系统的浮频实本征模态，能够实现一定传输距离以及方位内高效能量传输，以此提升系统的能效、空间能力以及抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及磁耦合无线电能传输系统，具体涉及一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法。
背景技术
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。由于电源端和负载端的电气隔离，该技术具有安全、可靠、灵活等优势，目前已广泛应用于家用电器、生物医学、电动汽车等领域。
目前MC-WPT系统的工作模式常用有两类：一类是ICPT模式，就是将副边电路设置为谐振状态，通过调整原边补偿电容使得系统工作在零相角频率处；另一类就是将系统中各个电路的固有频率设置为一致，通过整定磁场激励频率使得其等于设置的电路固有频率，以保证每个电路都处于谐振状态，这也就是常说的“共振耦合模式”。但众所周知，这两种工作模式的有效传能范围十分有限，原因在于：ICPT模式传输距离十分有限，系统的能效会随传输距离增大而急剧降低，因而ICPT模式只适用于近距离传能；MIT提出的“共振耦合”模式能够实现中程距离传能，但一旦接收端偏离最佳传能距离或者传能方位，系统的能效就会急剧降低，甚至会表现出随传输距离减小而降低的特性，这也就是常说的频率分裂现象。
针对MC-WPT系统空间能力低下的问题，目前的理论研究主要集中在MC-WPT系统拓扑结构、磁耦合机构、系统参数优化设计及控制等方面，其主要目的就是通过优化控制相应的参数，提升系统的能效和空间能力。但由于现有工作模式原理限制等问题，这些方法对系统能效和空间能力的提升效果及极其限。极其有限的空间能力极大程度上限制了MC-WPT系统的推广应用，是目前亟待解决的一个基础性科学问题。
发明内容
发明目的：针对磁耦合无线电能传输(Magnetic coupling wireless powertransfer，MC-WPT)系统常用工作模式只能在特定范围内实现高效传能的问题，本专利提出了一种浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，通过保证系统始终工作在系统的实本征态，能够实现一定传输距离以及方位内高效能量传输。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：
浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，所述系统的等效电路的数学模型为：
其中，R1＝Rp1，Rp1为原边RLC回路的等效串联电阻；L1、C1分别表示发射线圈自感和补偿电容，u1表示补偿电容C1两端的电压，
表示u1的一阶导数，
表示u1的二阶导数，v1表示原边RLC回路的电源电压；R2＝Rp2+RL，Rp2表示副边RLC回路的等效串联电阻，RL表示负载电阻；L2、C2分别表示副边RLC回路的接收线圈自感和补偿电容，M表示发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压，
表示u2的一阶导数，
表示u2的二阶导数；
记
则所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统工作在实本征态，且系统参数满足：
其中，k为耦合系数，r0＝|r1|＝|r2|，ω为所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的励磁频率。
本发明还提出所述的浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的设计方法，包括以下步骤：
(1)根据实际线圈，确定发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、原边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp1和副边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp2的值；
(2)确定传输距离d，进而确定线圈的互感M，根据
计算出耦合系数k；
(3)设置ω0，再根据
设置电容补偿电容C1、C2；
(4)确定负载电阻RL，进而根据公式R2＝Rp2+RL计算出R2的值；
(5)根据
计算出r2，进而根据ri+r2＝0计算出r1；
(6)根据
计算出R1，也即Rp1；
(7)根据
或
确定磁场激励频率，也即电源频率；
(8)根据步骤(1)至(7)确定的电路参数搭建磁耦合无线电能传输系统，所述无线电能传输系统工作在浮频实本征态。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)传输效率高，传能空间范围广。相较于传统MC-WPT系统只能在特定空间范围内实现高效能量传输，本文提出的浮频实本征态无线电能传输系统能在一定距离内实现高效能量传输；
2)通过本发明实现的浮频实本征态无线电能传输系统的各本征态相互正交，本征态无线电能传输系统中各电流相位相差180度，抗干扰能力强。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统的等效电路图；
图2为本发明实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，浮频实本征态无线电能传输系统的输出功率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输功率的对比曲线；
图3为本发明实施例涉及的浮频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，浮频实本征态无线电能传输系统的传输效率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输效率的对比曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
本发明的原理如下：
ICPT工作模式是将副边电路设置在谐振状态，通过调整原边补偿电容使得系统的输入阻抗为纯阻性。在这种工作模式下，系统传输距离越大，系统的耦合系数越小，系统的能效就会越低。对于MIT提出的“共振耦合模式”，将系统的工作频率整定为系统中各电路固有频率，在传输距离较远的时候，系统最大能效点的频率刚好等于设置的电路固有频率，因而系统的能效较高。但距离较近时，系统的耦合强度较大时，系统会存在多个最大能效点，其对应的频率都会偏离设置的各电路固有频率，因而系统工作在设置的电路固有频率处反而能效低下，且系统能效会随传输距离减小反而降低。这些现象都是由于工作模式的原理决定的。
本专利通过研究发现，不论传输距离近还是传输距离远，系统都是在本征频率处取得最大能效，同时发现当本征态为实数的时候，各本征态相互正交，MC-WPT系统中各电流相位刚好相差180度，系统抗干扰能力强。基于这个特性，本专利提出一种浮频实本征态无线电能传输系统，并提出了相应的设计方法，以保证系统始终处于浮频实本征模态，以此提升系统的能效、空间能力以及抗干扰性。
图1示例性的给出了一种MCR-WPT系统的等效电路，它由两个RLC回路组成，原边RLC回路包括电源v1、等效串联电阻Rp1、发射线圈L1、补偿电容C1，副边RLC回路包括接收线圈L2、等效串联电阻Rp2、补偿电容C2、负载(记负载电阻为RL)。
基于基尔霍夫电压定律(KVL)，该系统的数学模型可表示为：
其中，R1＝Rp1，u1表示补偿电容C1两端的电压，
表示u1的一阶导数，
表示u1的二阶导数，R2＝Rp2+RL，M表示发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压，
表示u2的一阶导数，
表示u2的二阶导数。
定义矢量v′＝[v1 0]T，i＝[i1 i2]T，u＝[u1 u2]T分别为系统的电源电压矢量，电流矢量和电容电压矢量。定义矩阵L，C和R分别为系统的电感矩阵、电容矩阵和电阻矩阵，其相应表达式如式(2)所示：
令
分别为系统的状态矢量和输入矢量，则可建立系统的状态空间模型为：
其中：
S为系统的系统矩阵。In×m和0n×m分别表示n×m阶的单位矩阵和零矩阵。系统矩阵S的特征值为系统的本征频率。根据特征值的定义可得：
|λI-S|＝0 (5)
将式(4)代入式(5)，可得：
|LCλ2+RCλ+I|＝0 (6)
将式(2)代入式(6)，可得系统的特征方程为：
令
则式(7)可以转换为：
由式(8)可得：
此处，我们令r1+r2＝0，由式(10)可知必须满足ω1＝ω2。此时物理结构上满足宇称对称。此时不妨令ω1＝ω2＝ω0，将r1+r2＝0和ω1＝ω2＝ω0代入至式(9)可得：
至此，我们得到以下参数设计模型：
即当公式(12)成立时，系统工作在实本征态。此使系统结构满足宇称对称，也就是所说的宇称时间对称态。由式(12)可知，磁场激励频率会随耦合系数变化而变化，因此也称为浮频实本征态模式。浮频实本征态模式的增益r1可根据r2事先确定，但磁场激励频率ω会随耦合系数k的变化而变化。
本发明还提出所述的浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的设计方法，包括以下步骤：
(1)根据实际线圈，确定发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、原边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp1和副边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp2的值；
(2)确定传输距离d，进而确定线圈的互感M，根据
计算出耦合系数k；
发射线圈和接收线圈之间的传输距离d影响着两线圈之间的互感M，不同的磁路结构具体关系式有差距，但确定d后可针对具体的线圈结构依据相关公式确定互感M。
以空心螺旋线圈为例，发射线圈的匝数是Ni、发射线圈半径是ri、接收线圈的匝数是Nj、接收线圈半径是rj，、真空磁导率为μ0、互感的计算公式为：
(3)根据实际应用要求设置ω0，再根据
设置电容补偿电容C1、C2；
(4)确定负载电阻RL，进而根据公式R2＝Rp2+RL计算出R2的值；
(5)根据
计算出r2，进而根据r1+r2＝0计算出r1；
(6)根据
计算出R1，也即Rp1；
(7)根据
或
确定磁场激励频率，也即电源频率；
(8)根据步骤(1)至(7)确定的电路参数搭建磁耦合无线电能传输系统，所述无线电能传输系统工作在浮频实本征态。
为了验证本文提出的浮频实本征态无线电能传输系统及其设计方法的有效性，本实施例基于图1所示的电路原理图运用Simulink搭建了三个仿真模型：浮频实本征态模型、MIT共振模型和传统频率跟踪模型。在仿真系统中，设置各参数的值如下：L1＝L2＝85μH，Rp1＝Rp2＝0.13Ω，C1＝C2＝61.5nF，
RL＝10Ω，R2＝Rp1+RL＝10.13Ω，
MIT共振模式的r1和工作频率ω设置为
传统频率跟踪模式的r1和工作频率ω设置为
当耦合系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，浮频实本征态无线电能传输系统的输出功率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输功率的对比曲线如图2所示；浮频实本征态无线电能传输系统的传输效率与MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输效率的对比曲线如图3所示。
从图2和图3所示可知，MIT共振模式在一定距离内，系统的传输效率较大，但系统的传输功率会随传输距离减小(耦合系数增大)反而降低，该现象表明传统共振模式发生了频率分裂现象，系统工作的频率并非系统的最大频率点。
针对频率分裂现象，运用传统频率跟踪模式，可使得系统工作在最大功率频率点，此时在一定传输距离范围内系统的功率可保持在一个较高的值，但该模式会牺牲系统的传输效率。
而本专利提出的浮频实本征态无线电能传输系统，则能够针对频率分裂现象有效提升系统的功率，同时保证一个较大的传输效率。
上述实施例，特别是任何“优选”施例，是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本发明描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改，这些变化和修改也应视为本发明的保护范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，其特征在于，所述系统的等效电路的数学模型为：
其中，R1＝Rp1，Rp1为原边RLC回路的等效串联电阻；L1、C1分别表示发射线圈自感和补偿电容，u1表示补偿电容C1两端的电压，
表示u1的一阶导数，
表示u1的二阶导数，v1表示原边RLC回路的电源电压；R2＝Rp2+RL，Rp2表示副边RLC回路的等效串联电阻，RL表示负载电阻；L2、C2分别表示副边RLC回路的接收线圈自感和补偿电容，M表示发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压，
表示u2的一阶导数，
表示u2的二阶导数；
记
则所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统工作在实本征态，且系统参数满足：
其中，k为耦合系数，r0＝|r1|＝|r2|，ω为所述浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的励磁频率。
2.如权利要求1所述的浮频实本征态磁耦合无线电能传输系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据实际线圈，确定发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、原边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp1和副边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp2的值；
(2)确定传输距离d和线圈的互感M，根据
计算出耦合系数k；
(3)设置ω0，再根据
设置电容补偿电容C1、C2；
(4)确定负载电阻RL，进而根据公式R2＝Rp2+RL计算出R2的值；
(5)根据
计算出r2，进而根据r1+r2＝0计算出r1；
(6)根据
计算出R1，也即Rp1；
(7)根据
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(8)根据步骤(1)至(7)确定的电路参数搭建磁耦合无线电能传输系统，所述无线电能传输系统工作在浮频实本征态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200703 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |