CN111697711A - 一种多发射-多拾取-多负载ipt系统交叉耦合系数消除方法和电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多发射‑多拾取‑多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，包括确定原边和副边侧的谐振补偿电路；确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；求解各支路的电流方程；确定电路中存在的各个交叉耦合系数，求解各支路的电流方程；对不考虑交叉耦合系数和考虑交叉耦合系数条件的各个支路电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；在差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；把解得的各个支路电流方程带入含有待补偿阻抗的差方程中，反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值；其从电路角度消除了多线圈之间的交叉耦合系数，对任意多发射‑所拾取‑多负载IPT系统具有普适性，利于实际系统交叉耦合系数消除的指导，提升系统输出性能。

Description

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法 和电路及系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法和电路及系统。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)最早诞生于十九世纪的美国。它是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。该技术实现供、受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。感应电能传输(Inductive Power Transfer，简称IPT)技术以其功率传输容量大、效率高等特点，得到广泛的关注与研究。相比于传统电气设备的有线电能传输方式，功率传输能力、效率和成本等特性是研究无线电能传输系统着重考虑的主要指标，也是当前无线电能传输领域研究的重点。

多发射-多拾取IPT系统因其传输功率大、开关器件电压电流应力小等特点越来越得到研究人员的青睐。然而，当原边和副边侧有多个线圈时，距离较近的线圈间不可避免的产生交叉耦合，对于一些电路会降低系统输出性能，同时使得系统分析更加复杂。此外，随着自动导引技术的发展和人为规范干预的增多，原边和副边线圈之间的偏移可以控制到最小甚至没有偏移，因而系统中的有效耦合系数和交叉耦合系数的变化值很小。尽管从磁耦合机构的设计上也可以不同程度的消除交叉耦合系数，但是不具有普适性，因为不同应用背景下系统的原副边线圈个数不同，线圈的类型也不同，使得从磁耦合机构的角度解决交叉耦合系数的问题更复杂。不同于磁耦合机构的设计，通过电路结构的设计来消除交叉耦合系数对系统的不利影响的方法总具有普适性，而无关原边和副边线圈的类型和个数。然而，目前缺乏一种适用于工程的、简便的且具有普适性的交叉耦合系数消除方法，来提升系统输出性能，因而无法指导实际系统的设计，也给实际应用设计带来了一定的不便。

发明内容

本发明提供一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法和电路及系统，以消除交叉耦合系数对多发射-多拾取-多负载IPT系统的不利影响以提升系统输出性能，同时具有一定的普适性，不受限于原边和副边线圈的类型、结构和数量。

本发明一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，包括以下步骤：

第一步：根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

第二步：在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；

所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；

所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

第三步：在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第四步：在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第五步：对不考虑交叉耦合系数和考虑交叉耦合系数条件的各个支路电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

第六步：在第五步所得差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

第七步：把第三步解得的各个支路电流方程带入第六步解得的含有待补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻，消除交叉耦合系数；

其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗。

优选的，第一步中，通过N个原边线圈串联的模式和电感电容电容—电感电容串联LCC-S系统进行分析。

进一步，第一步中，原边部分包括直流电压源Edc，逆变电路，由原边补偿电感Lf、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，N个串联的原边发射线圈L_p1～L_pN；副边部分包括N个拾取线圈L_s1～L_sN，以及N个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_sN，N个整流滤波模块以及N个负载RL₁～RL_N。

优选的，第三步中，无交叉耦合系数的各个支路电流方程如下：

其中，M_ij为原边侧第i个线圈对原边侧第j个线圈的的交叉互感；L表示原边的总发射线圈电感量；C_f为补偿电容；

原边部分包括直流电压源Edc，逆变电路，由原边补偿电感L_f、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，N个串联的原边发射线圈L_p1～L_pN；副边部分包括N个拾取线圈L_s1～L_sN，以及N个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_sN，N个整流滤波模块以及N个负载RL₁～RLN；

原边侧第i个线圈对原边侧第j个线圈的交叉耦合系为kpij，则的交叉互感为Mpij，其中i≠j；

副边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为ksij，则的交叉互感为Msij，其中i≠j；

原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为kij，则的交叉互感为Mpij，其中i≠j；

原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的有效耦合系为kij，则的有效互感为Mij，其中i＝j。

优选的，第四步中，有交叉耦合系数的各个支路的电流方程如式(4)：

其中，jωL是电感阻抗，jωC是电容阻抗，U_in为逆变电路输出电压的有效值，R_p表示所有原边线圈的总电阻，R_s1～R_sN表示各个副边线圈的电阻，I_f表示原边补偿电感上流过的电流有效值，I_p表示原边线圈上流过的电流有效值，I_s1～I_sN分别表示三个副边上流过的电流有效值，R_e1～R_eN表示整流电路的前级等效阻抗。

优选的，第五步中，各个支路电流的差方程如下：

其中，j为虚数，ω角频率。

优选的，第六步中，加入补偿阻抗的差方程如式(6)，

其中，Z是为补偿阻抗。

优选的，第七步中，得到各个支路待补偿的阻抗值如下：

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除电路，包括原边部分电路和副边部分电路，所述原边部分电路包括直流电压源，逆变电路、原边发射线圈和原边LCC补偿电路，所述LCC补偿电路包括原边补偿电感、补偿电容；所述副边部分电路包括拾取线圈，串联补偿电容，整流滤波模块和负载；所述原边部分电路和副边部分电路用于实现上述任意一项多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数的消除方法。

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除系统，包括，

分析模块，用于根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

电路参数设定模块，用于在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；其中，所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

无交叉耦合系数电流计算模块，用于在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解无交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

有交叉耦合系数电流计算模块，用于在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解有交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

电流做差模块，用于对无交叉耦合系数和有交叉耦合系数的各个支路的电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

阻抗补偿模块，用于在差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

交叉耦合系数消除模块，用于将无交叉耦合系数的各个支路的电流方程带入加入补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻，消除交叉耦合系数；其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗。

本发明的有益效果：

本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，通过确定原边侧多个发射线圈的串联或并联连接形式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路的结构，其具有功率传输容量大、效率高等特点，其多发射-多拾取IPT系统具有传输功率大，开关器件电压电流应力小的特点，其通过电路结构的设计，来消除交叉耦合系数对系统的不利影响的方法，且具有普适性，而无关原边和副边线圈的类型和个数；在不考虑交叉耦合的条件下和考虑交叉耦合系数的条件下，确定支路的电流，求得各个支路中待补偿的阻抗值待补偿值，电路中匹配电容、电感和电阻，其以消除交叉耦合系数对多发射-多拾取-多负载IPT系统的不利影响出发，来提升系统输出性能，不受限于原边和副边线圈的类型、结构和数量，从电路角度消除了多线圈之间的交叉耦合系数，因而实现对任意多发射-所拾取-多负载IPT系统具有普适性，并且具有一定程度的推广性，有利于实际系统交叉耦合系数消除的指导，从而能够提升系统输出性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的交叉耦合系数消除方法流程图。

图2为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的任意线圈个数的系统电路图。

图3为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的任意线圈个数的系统等效电路图。

图4为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的三发射-三拾取-三负载IPT系统的电路图。

图5为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的三发射-三拾取-三负载IPT系统的等效电路图。

图6为本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的三发射-三拾取-三负载IPT系统在交叉耦合系数消除前后的输出电压变化。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，参见图1至图3，包括以下步骤：

第一步：根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

第二步：在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；

所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；

所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

第三步：在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第四步：在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第五步：对不考虑交叉耦合系数和考虑交叉耦合系数条件的各个支路电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

第六步：在第五步所得差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

第七步：把第三步解得的各个支路电流方程带入第六步解得的含有待补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值；

其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗；

所述电容、电感和电阻的数量及数值大小需结合实际成本和体积限制条件进行选取。

实施例2

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，参见图1至图3，包括以下步骤：

第一步：根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈的串联或并联连接形式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路的结构；

原边侧的N个发射线圈具有多种组合方式，常见的两种方式为N个发射线圈串联和N个发射线圈并联连接。当N个发射线圈并联时，通常需要N套原边谐振补偿电路，因而增加了成本，因此本发明选择N个原边线圈串联的模式进行分析。原副边谐振补偿结构多种多样，本发明选择LCC-S系统进行分析，因为当磁耦合机构固定时，LCC-S型谐振网络的输出电压增益对负载变化敏感度较小且输出功率大，并且具有原边电流近似不变的特性。由此可得到图2所示系统电路图，包括原边部分和副边部分。原边部分包括直流电压源E_dc，逆变电路，由原边补偿电感L_f、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，N个串联的原边发射线圈L_p1～L_pN；而副边部分包括N个拾取线圈L_s1～L_sN，以及N个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_sN，N个整流滤波模块以及N个负载R_L1～R_LN。其中，LCC表示电感—电容—电容，其中，用分割线分隔这三个元件，S表示电感—电容串联，表示该连接类型。

定义原边侧第i个线圈对原边侧第j个线圈的交叉耦合系为k_pij，则的交叉互感为M_pij，其中i≠j；

定义副边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为k_sij，则的交叉互感为M_sij，其中i≠j；

定义原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为k_ij，则的交叉互感为M_pij，其中i≠j；

定义原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的有效耦合系为k_ij，则的有效互感为M_ij，其中i＝j；

整个系统的工作原理可表述为：直流电压源E_dc用以给系统提供电能输入，其输出连接到由四个MOSFET(S1～S4)构成的全桥逆变器，从而产生高频交流电；高频交流电加载在N个原边发射线圈上会产生变化的磁场，N个副边线圈分别感应产生电能经过整流滤波后供给相应的负载使用。原副边的补偿装置用以补偿无功功率。

第二步：在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；

对于任意线圈个数的系统，给出具体数值并不方便，因而该步骤不做分析。

第三步：在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路如图3所示，其中：U_in为逆变电路输出电压的有效值，R_p表示所有原边线圈的总电阻，R_s1～R_sN表示各个副边线圈的电阻，I_f表示原边补偿电感上流过的电流有效值，I_p表示原边线圈上流过的电流有效值，I_s1～I_sN分别表示三个副边上流过的电流有效值，R_e1～R_eN表示整流电路的前级等效阻抗。

根据KVL定理可得无交叉耦合系数时的各个支路电流方程，即只有M_ij(i＝j)存在：

当系统谐振时满足式(1)，

由KVL定理可得式(2)：

其中，L表示原边的总发射线圈电感量。

把式(1)带入式(2)可得各个网孔电流表达式(3):

第四步：在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

在考虑电路中的交叉耦合系数后，各个交叉耦合系数的定义如步骤一描述所示，由KVL定理可得式(4)：

第五步：对不考虑交叉耦合和考虑交叉耦合条件的各个支路电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

求解式(4)-(2)可得式(5)：

由于任意线圈的多负载IPT系统的各个支路电流过于复杂，因而不直接解出电流值，而是给出差值方程以便于后续计算。

第六步：在第五步所得差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗，得式(6)；

第七步：把第三步解得的各个支路电流方程带入第六步解得的含有待补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值；

消除交叉耦合系数的方法是使得式(6)和式(3)的电流表达式一样，此时可以保证交叉耦合系数存在与否都不影响输出性能。

将式(3)带入式(6)可反解得各个补偿阻抗的大小如式(7)：

第八步：结合实际成本和体积限制条件，在电路中相应的地方配置电容、电感和电阻以匹配待补偿阻抗；

对于任意线圈机构的系统，本发明未做参数配置，因而不需要进行第八步。

实施例3

以三发射-三接收-三负载IPT系统为例，依照流程图1分析本发明的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法的有效性。

第一步：根据应用背景，确定原边多个发射线圈的串联或并联连接形式，同时确定原边和副边侧补偿电路的结构；

对于三发射-三拾取的三负载IPT系统，原边的三个发射线圈具有多种组合方式，常见了两种为三个发射线圈串联和三个发射线圈并联连接。当三个发射线圈并联时，通常需要三套原边谐振补偿电路，因而增加了成本，因此本发明选择三个原边线圈串联的模式进行分析。原边和副边侧谐振补偿结构多种多样，本发明选择LCC-S系统进行分析，因为当磁耦合机构固定时，LCC-S型谐振网络的输出电压增益对负载变化敏感度较小且输出功率大，并且具有原边线圈的激励横流近似不变的特性。

第二步：在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；

其中，系统输出性能指标包括输出功率和系统效率，电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边侧线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小。

为了便于确定上述参数，在不考虑交叉耦合系数时，给出系统电路图如图4所示，包括原边部分和副边部分。原边部分包括直流电压源E_dc，一个逆变电路由原边补偿电感L_f、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，3个串联的原边发射线圈L_p1～L_p3；而副边部分包括3个拾取线圈L_s1～L_s3，以及3个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_s3，3个整流滤波模块以及3个负载R_L1～R_L3。

定义原边侧第i个线圈对第j个线圈的交叉耦合系为k_pij，则的交叉互感为M_pij；、定义副边侧第i个线圈对第j个线圈的交叉耦合系为k_sij，则的交叉互感为M_sij；

定义原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为k_ij，则的交叉互感为M_pij，其中i≠j；

定义原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的有效耦合系为k_ij，则的有效互感为M_ij，其中i＝j；

整个系统的工作原理可表述为：直流电压源E_dc用以给系统提供电能输入，其输出连接到由四个MOSFET(S1～S4)构成的全桥逆变器，从而产生高频交流电；高频交流电加载在3个原边发射线圈上会产生变化的磁场，3个副边线圈分别感应产生电能经过整流滤波后供给相应的负载使用。原边和副边侧的补偿装置用以补偿无功功率。

考虑到本发明是消除交叉耦合的方法，因而输出性能指标对本发明的效果没有影响，仅以输出电压均为6V为例，则满足条件的参数配置如表一：

表一满足输出性能的参数配置

第三步：在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

图4所示系统电路图的等效电路如图5所示，其中：U_in为逆变电路输出电压的有效值，R_p表示所有原边线圈的总电阻，R_s1～R_s3表示各个副边线圈的电阻，I_f表示原边补偿电感上流过的电流有效值，I_p表示原边线圈上流过的电流有效值，I_s1～I_s3分别表示三个副边上流过的电流有效值。

当系统谐振时满足式(8)：

由KVL定理得式(9)：

第四步：在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

基于图5，存在交叉耦合系数时，交叉耦合系数具体包括：

原边侧线圈间的交叉耦合系数和互感：k_pij和M_pij，其中i≠j。

副边侧线圈间的交叉耦合系数和互感：k_sij和M_sij，其中i≠j。

原副边线圈间的交叉耦合系数和互感：k_ij和M_ij，其中i≠j。

原副边线圈间的有效耦合系数和互感：k_ij和M_ij，其中i＝j。

由KVL定理可得式(10)：

其中，M_{p_all}＝M_p12+M_p13+M_p23，M_{p_1}＝M₁₁+M₂₁₊M₃₁，M_{p_2}＝M₁₂+M₂₂₊M₃₂，M_{p_3}＝M₁₃+M₂₃₊M₃₃。

第五步：对不考虑交叉耦合和考虑交叉耦合条件的各个支路电流方程做差；

求解式(10)-(9)可得式(11)：

第六步：在第五步所得差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗如式(12)；

第七步：把第三步解得的各个支路电流方程带入第六步解得的含有待补偿阻抗的差方程中，并反解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻。

当交叉耦合系数分别为：k_p12＝k_p13＝k_p23＝k_s12＝k_s13＝k_s23＝0.034；k₁₂＝k₁₃＝k₂₃＝0.035，此时可解：

Z_p：由于原边横流，交叉耦合系数的存在对原边线圈电流没有影响，因而不对原边进行补偿，仅对副边进行补偿，故Z_p＝0。

副边电路的补偿数值具体如表二：

表二：副边电路的补偿数值

图6所示为任意一个负载的补偿前后输出电压，由图6可见交叉耦合系数的存在降低了相同输入电压和负载电阻时的输出电压，因而输出功率降低了，而补偿阻抗后的系统输出电压更高，验证了本发明的有效性。

实施例4

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除电路，包括原边部分电路和副边部分电路，所述原边部分电路包括直流电压源，逆变电路、原边发射线圈和原边LCC补偿电路，所述LCC补偿电路包括原边补偿电感、补偿电容；所述副边部分电路包括拾取线圈，串联补偿电容，整流滤波模块和负载；所述原边部分电路和副边部分电路用于实现多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数的消除。

实施例5

一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除系统，包括，

分析模块，用于根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

电路参数设定模块，用于在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；其中，所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

无交叉耦合系数电流计算模块，用于在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解无交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

有交叉耦合系数电流计算模块，用于在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解有交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

电流做差模块，用于对无交叉耦合系数和有交叉耦合系数的各个支路的电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

阻抗补偿模块，用于在差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

交叉耦合系数消除模块，用于将无交叉耦合系数的各个支路的电流方程带入加入补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻，消除交叉耦合系数；其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

第二步：在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；

所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；

所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

第三步：在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第四步：在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解各个支路的电流方程；

第五步：对不考虑交叉耦合系数和考虑交叉耦合系数条件的各个支路电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

第六步：在第五步所得差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

第七步：把第三步解得的各个支路电流方程带入第六步解得的含有待补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻，消除交叉耦合系数；

其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗。

2.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第一步中，通过N个原边线圈串联的模式和电感电容电容—电感电容串联LCC-S系统进行分析。

3.如权利要求2所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第一步中，原边部分包括直流电压源Edc，逆变电路，由原边补偿电感Lf、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，N个串联的原边发射线圈L_p1～L_pN；副边部分包括N个拾取线圈L_s1～L_sN，以及N个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_sN，N个整流滤波模块以及N个负载RL₁～RL_N。

4.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第三步中，无交叉耦合系数的各个支路电流方程如下：

其中，M_ij为原边侧第i个线圈对原边侧第j个线圈的的交叉互感；L表示原边的总发射线圈电感量；C_f为补偿电容；

原边部分包括直流电压源Edc，逆变电路，由原边补偿电感L_f、补偿电容C_f和C_p构成的原边LCC补偿电路，N个串联的原边发射线圈L_p1～L_pN；副边部分包括N个拾取线圈L_s1～L_sN，以及N个副边线圈的串联补偿电容C_s1～C_sN，N个整流滤波模块以及N个负载RL₁～RLN；

原边侧第i个线圈对原边侧第j个线圈的交叉耦合系为kpij，则的交叉互感为Mpij，其中i≠j；

副边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为ksij，则的交叉互感为Msij，其中i≠j；

原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的交叉耦合系为kij，则的交叉互感为Mpij，其中i≠j；

原边侧第i个线圈对副边侧第j个线圈的有效耦合系为kij，则的有效互感为Mij，其中i＝j。

5.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第四步中，有交叉耦合系数的各个支路的电流方程如式(4)：

其中，jωL是电感阻抗，jωC是电容阻抗，U_in为逆变电路输出电压的有效值，R_p表示所有原边线圈的总电阻，R_s1～R_sN表示各个副边线圈的电阻，I_f表示原边补偿电感上流过的电流有效值，I_p表示原边线圈上流过的电流有效值，I_s1～I_sN分别表示三个副边上流过的电流有效值，R_e1～R_eN表示整流电路的前级等效阻抗。

6.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第五步中，各个支路电流的差方程如下：

其中，j为虚数，ω角频率。

7.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第六步中，加入补偿阻抗的差方程如式(6)，

其中，Z是为补偿阻抗。

8.如权利要求1所述的多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法，其特征在于，第七步中，得到各个支路待补偿的阻抗值如下：

9.一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除电路，其特征在于，包括原边部分电路和副边部分电路，所述原边部分电路包括直流电压源，逆变电路、原边发射线圈和原边LCC补偿电路，所述LCC补偿电路包括原边补偿电感、补偿电容；所述副边部分电路包括拾取线圈，串联补偿电容，整流滤波模块和负载；所述原边部分电路和副边部分电路用于实现权利要求1-9中任意一项多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除方法。

10.一种多发射-多拾取-多负载IPT系统交叉耦合系数消除系统，其特征在于，包括，

分析模块，用于根据应用背景，确定原边侧多个发射线圈间的连接方式，同时确定原边和副边侧的谐振补偿电路；

电路参数设定模块，用于在不考虑交叉耦合系数时，确定满足系统输出性能指标的所有电路参数；其中，所述系统输出性能指标包括输出功率和系统效率；所述电路参数包括各个原边线圈和副边线圈的电感、内阻和各个原边和副边线圈耦合时的互感，各个负载大小，以及原边和副边侧所有补偿电容和补偿电感的大小；

无交叉耦合系数电流计算模块，用于在不考虑交叉耦合系数的条件下，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解无交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

有交叉耦合系数电流计算模块，用于在考虑交叉耦合的条件下，确定电路中存在的各个交叉耦合系数，建立系统等效电路，基于KVL定理，求解有交叉耦合系数的各个支路的电流方程；

电流做差模块，用于对无交叉耦合系数和有交叉耦合系数的各个支路的电流方程做差，得到各个支路电流的差方程；

阻抗补偿模块，用于在差方程中存在交叉耦合系数的地方加入补偿阻抗；

交叉耦合系数消除模块，用于将无交叉耦合系数的各个支路的电流方程带入加入补偿阻抗的差方程中，并反向求解得到各个支路待补偿的阻抗值，并配置电容、电感和电阻，消除交叉耦合系数；其中，在电路中相应的地方用不同数值的电容、电感和电阻匹配待补偿阻抗。

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